Il ruolo del DNA nell’ereditarietà

Gli esperimenti di Fredrick Griffith su Streptococcus pneumoniae hanno dimostrato la presenza di un «principio

trasformante» ereditabile.

Il ruolo del DNA nell’ereditarietàAlfred Hershey e Martha Chase (nel 1952) scelsero un virus, il batteriofago T2, per determinare quale dei componenti virali (DNA o proteine) sarebbe penetrato nel batterio Escherichia coli.

Tali scienziati dimostrarono che il materiale con ruolo ereditario è il DNA; esso penetra nelle cellule batteriche e trasmette ai batteri infettati le informazioni genetiche necessarie a produrre nuovi virus.

II

vedi sopra

3

Il ruolo del DNA nell’ereditarietàGli esperimenti di Hershey e Chase con i batteriofagi T2 ed E. coli.

I

LA STABILITA’ DELLA MOLECOLA DI DNA A

DOPPIA ELICA E’ ASSAI ELEVATA

DOVUTA A TRE ORDINI DI FATTORI

PRESENZA DEGLI SCHELETRI COVALENTI

DELLE DUE CATENE COMPLEMENTARI

INTERAZIONI IDROFOBICHE TRA COPPIE

SOVRAPPOSTE DI BASI

LEGAMI A IDROGENO ALL’INTERNO DI OGNI

COPPIA

Denaturazione e rinaturazione del DNA

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Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici,

sono polimeri di nucleotidi

Il DNA è un polinucleotide, cioè un polimero di nucleotidi, ognuno formato da tre parti:

• uno zucchero C5 detto desossiribosio;

• un gruppo fosfato;

• una base azotata.

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Esistono quattro diversi tipi di basi azotate. L’adenina (A) e la guanina (G) sono caratterizzate da un doppio anello e sono chiamate purine. La timina (T) e la citosina (C) sono caratterizzate da un anello singolo e sono chiamate pirimidine.

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi

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L’RNA (acido ribonucleico) differisce dal DNA per il tipo di zucchero C5 che contiene, il ribosio, e perché al posto della base azotata timina contiene un’altra pirimidina, l’uracile (U).

Il DNA e l’RNA, gli acidi nucleici, sono polimeri di nucleotidi

Il DNA ha i requisiti adatti per

funzionare come materiale genetico

• Il DNA è variabile tra le diverse specie.

• Il DNA è in grado di custodire le informazioni che fanno una specie diversa dall’altra.

• Il DNA è costante all’interno di una stessa specie.

• Il DNA è in grado di duplicarsi con grande precisione durante la divisione cellulare.

• Il DNA è soggetto a rari cambiamenti, chiamati mutazioni, che forniscono la variabilità genetica che permette agli organismi di evolversi nel tempo.

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La struttura del DNALa molecola del DNA ha la forma di una doppia elica di nucleotidi in cui la base A è sempre in coppia con la base T, e la base C con la base G.

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James Watson e Francis Crick costruirono il primo modello tridimensionale del DNA basandosi sui risultati dei lavori diRosalind Franklin e Maurice Wilkins, che avevano studiato la struttura del DNA usando la cristallografia a raggi X.

La molecola del DNA ha la forma di una doppia elica

La molecola del DNA ha la forma di

una doppia elica

L’appaiamento complementare delle basi azotate suggerisce che il DNA è una molecola a doppio filamento, simile a una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dallo scheletro zucchero-fosfato, e i pioli dalle basi accoppiate unite da legami idrogeno.

Il nucleo interfasico

Aspetto del materiale genetico

Di una cellula in interfase

NUCLEO

E’ L’ORGANULO PIÙ

VOLUMINOSO DELLA CELLULA

EUCARIOTICA

SOLITAMENTE APPARE DI

FORMA ROTONDEGGIANTE E

FREQUENTEMENTE

LOCALIZZATO NELLA REGIONE

CENTRALE DEL CITOPLASMA

LA MAGGIOR PARTE DEGLI EUCARIOTI PRESENTA

UN SOLO NUCLEO

COSTITUISCE LA SEDE

DELL’INFORMAZIONE

GENETICA: IN ESSO

RISIEDONO LE MOLECOLE

DI DNA CHE VENGONO

DUPLICATE E TRASCRITTE

TERRITORIO CHE DELIMITA

LE ATTIVITA’ DEL GENOMA

(INSIEME DI GENI DI UNA

CELLULA) E PROTEGGE DNA

ed RNA DALL’AMBIENTE

CITOPLASMATICO

CROMATINA

CROMOSOMI

IL NUCLEO È UNA

PORZIONE DEL

CITOPLASMA DELIMITATO

DA UN SISTEMA DOPPIO DI

MEMBRANE CHE PRENDE IL

NOME DI

INVOLUCRO NUCLEARE o

CARIOTECA E CHE

RACCHIUDE IL

NUCLEOPLASMA

OGNI MEMBRANA HA LA

CARATTERISTICA STRUTTURA

BILAYER DELLA MEMBRANA

CELLULARE.

MEMBRANA NUCLEARE

INTERNA e MEMBRANA

NUCLEARE ESTERNA

SEPARATE DA UNO

SPAZIO PERINUCLEARE

LA MEMBRANA NUCLEARE

ESTERNA È IN CONTINUITA’

CON IL RETICOLO

ENDOPLASMATICO RUGOSO.

LA MEMBRANA NUCLEARE

INTERNA È POGGIATA SU

UNA SOTTILE E DENSA RETE

DI PROTEINE ALTAMENTE

INSOLUBILI, ADESA AL

VERSANTE

CITOPLASMATICO DELLA

MEMBRANA INTERNA DELLA

CARIOTECA, CHIAMATA

LAMINA NUCLEARE.

• SOSTEGNO

• SITO DI ATTACCO PER I TELOMERI DEI CROMOSOMI DURANTE

LA MEIOSI

• DIVISIONE NUCLEARE (MITOSI, MEIOSI): LA FOSFORILAZIONE

DELLE LAMÌNE DETERMINA LA FRAMMENTAZIONE

DELL’INVOLUCRO NUCLEARE

LAMÌNE NUCLEARI A, B, C

FUNZIONE

COMPLESSO DEL PORO

NUCLEARE (NCP)

PORI NUCLEARI: METTONO IN COMUNICAZIONE IL

COMPARTO NUCLEARE CON QUELLO CITOPLASMATICO

ORGANIZZAZIONE OTTAGONALE: OTTO PROTEINE POSTE IN

MANIERA SIMMETRICA ATTORNO AL PORO CHE FORMANO

DUE ANELLI CONCENTRICI APPOGGIATI ALLE DUE

MEMBRANE

OTTO RAGGI CHE

DIPARTONO DAGLI ANELLI E

RAGGIUNGONO IL

TRASPORTATORE POSTO AL

CENTRO DEL PORO

PROTEINE CHE SI

ESTENDONO DAL BORDO

VERSO LO SPAZIO

PERINUCLEARE

(ANCORAGGIO DEL

COMPLESSO)

OTTO FIBRE CHE SI ESTENDONO DAGLI ANELLI VERSO IL

CITOSOL E VERSO IL NUCLEOPLASMA (SONO UNITE ALLA

LORO ESTREMITA’ DA UN ANELLO FIBROSO)

NUCLEOPORINE

CLASSE PIU’ ABBONDANTE

DI PROTEINE PRESENTI NEL

NUCLEO

TRASPORTO ATTIVO (PM =

15000 Da) E SELETTIVO

TRASPORTO PASSIVO (PM = <

15000 Da)

BIOGENESI DEI RIBOSOMI

MATRICE NUCLEARE

FIBROGRANULARE

INSOLUBILE

(NUCLEOSCHELETRO)

• FORMA DEL NUCLEO

• IMPALCATURA PER

L’ORGANIZZAZIONE DELLE

FIBRE DI CROMATINA

• SISTEMA DI ANCORAGGIO

PER COMPLESSI

MOLECOLARI COINVOLTI

NELLA DUPLICAZIONE E

NELLA TRASCRIZIONE

FUNZIONE

CROMATINA: complesso di DNA, proteine

(ISTONI E NON ISTONICHE) ed RNA

DNA DEL NUCLEO DI UNA CELLULA UMANA: 1.7 METRI

DIAMETRO DEL NUCLEO: 0.5 MICRON

DNA GENOMICO: PIU’ MOLECOLE DI DNA

L’analisi chimica dimostra nel nucleo la presenza di DNA , RNA e

proteine, a questo complesso viene dato il nome di

Metafase

Poro nucleare

Il materiale genetico subisce una

Transizione da fibrillare a bastoncellare.

Da una organizzazione idonea a

Permettere al materiale genetico di essere

Trascritto e reduplicato, a quella idonea

Di essere parimenti distribuito tra

Le cellule figlie

Aspetto della Cromatina a collana di perle

dopo trattamento con soluzioni saline

NUCLEOSOMA

1) PARTICELLA CENTRALE: COMPLESSO DI OTTO PROTEINE

ISTONICHE – DUE MOLECOLE DEGLI ISTONI H2A, H2B, H3 E

H4

2) DNA A DOPPIO FILAMENTO, LUNGO 146 COPPIE DI

NUCLEOTIDI.

L’ OTTAMERO

DI ISTONI

FORMA UN

NUCLEO

PROTEICO

INTORNO AL

QUALE E’

AVVOLTO IL

DNA A DOPPIO

FILAMENTO

Organizzazione del NUCLEOSOMA

Ogni “perla” è costituita da un nocciolo

Proteico intorno al quale si avvolge il DNA.

Il nocciolo proteico più il DNA che

si avvolge intorno costituiscono

il NUCLEOSOMA

Il trattamento della cromatina con DNAsi,

Permette di isolare una struttura contenete

DNA e proteine, la lunghezza minima che si

Riesce ad ottenere con tale trattamento è di

146 paia di basi che ha l’aspetto di una perla.

CIASCUNA PARTICELLA CENTRALE DEL NUCLEOSOMA E’

SEPARATA DALLA SUCCESSIVA DA

UNA REGIONE DI DNA LINKER. LA

FORMAZIONE DEI NUCLEOSOMI

CONVERTE UNA MOLECOLA DI DNA

IN UN FILO DI CROMATINA LUNGO

CIRCA UN TERZO DELLA

LUNGHEZZA INIZIALE E CIO’

COSTITUISCE IL PRIMO LIVELLO

DI COMPATTAMENTO DEL DNA

MODELLO A “COLLANA DI PERLE”

Mobilità elettroforetica delle varie

classi di Istoni.

GRUPPO DI PROTEINE ETEROGENEO,

SPECIALIZZATO IN:

• DUPLICAZIONE DNA (DNA POLIMERASI,

ELICASI, GIRASI, PRIMASI…)

• TRASCRIZIONE DI GENI (RNA POLIMERASI)

• MATURAZIONE DEL PRE-mRNA

• REGOLAZIONE DEL PROCESSO DI

TRASCRIZIONE DI SPECIFICI GENI

Alcune proprietà delle proteine

istoniche-Le proteine istoniche sono ricche in Lisina ed Arginina,

sono proteine

basiche dotate di una carica netta positiva.

-Sono proteine altamente conservate.

LA CROMATINA DI UNA CELLULA VIVENTE

RARAMENTE ADOTTA LA FORMA ESTESA DI

“COLLANA DI PERLE”

I NUCLEOSOMI SONO COMPATTATI L’UNO

SULL’ALTRO GENERANDO SCHIERE REGOLARI IN

CUI IL DNA E’ ANCORA PIU’ CONDENSATO.

COSI’ LA MAGGIOR PARTE DELLA CROMATINA SI

PRESENTA SOTTO FORMA DI UNA FIBRA CON UN

DIAMETRO DI CIRCA 30nm, (FIBRA A SOLENOIDE)

CONSIDEREVOLMENTE PIU’ SPESSA DELLA

CROMATINA SOTTO FORMA DI “PERLINE SU UN

FILO”.

PRESENZA DELL’ISTONE H1, PIU’ GRANDE DEGLI ALTRI

ISTONI E MENO CONSERVATO

L’ISTONE H1 SI SISTEMA SUL ROCCHETTO DI

AVVOLGIMENTO, “PINZETTANDO” IL DNA IN ENTRATA E

USCITA DAL ROCCHETTO E AVVICINANDO I DIVERSI

ROCCHETTI GRAZIE A LEGAMI DI TIPO TESTA-CODA

CON ALTRI ISTONI H1

COME FIBRA DI 30nm UN TIPICO CROMOSOMA UMANO

SAREBBE ANCORA LUNGO 0.1cm.

CI DEVE ESSERE UN LIVELLO ANCORA SUPERIORE DI

RIPIEGAMENTO CHE ORGANIZZA LA FIBRA DI 30 nm IN

UNA SERIE DI ANSE E AVVOLGIMENTI

“SCAFFOLD” PROTEICO

NONOSTANTE L’ALTO GRADO DI COMPATTAMENTO

DELLA CROMATINA LA SUA STRUTTURA DEVE

ESSERE ALTAMENTE DINAMICA PER PERMETTERE

ALLA CELLULA DI SVOLGERE LE SUE FUNZIONI

(CRESCERE E DIVIDERSI)

A QUESTO SCOPO SONO IMPORTANTI DUE STRATEGIE

GENERALI PER CAMBIARE REVERSIBILMENTE

STRUTTURE LOCALI DI CROMATINA:

•COMPLESSI DI RIMODELLAMENTO DELLA

CROMATINA, SPINTI DA ATP

• MODIFICAZIONE COVALENTE (ACETILAZIONE,

METILAZIONE, FOSFORILAZIONE) CATALIZZATA

DEGLI ISTONI (H1)

CICLO DI CONDENSAZIONE-DECONDENSAZIONE DELLA

CROMATINA

A SECONDA DELLE SUE ATTIVITÀ TRASCRIZIONALI LA

CROMATINA PUÒ ESSERE FORTEMENTE ADDENSATA E

QUINDI INATTIVA (ETEROCROMATINA) O LASSAMENTE

COMPATTATA E QUINDI ATTIVA (EUCROMATINA).

•ETEROCROMATINA: COSTITUTIVA (RESTA ALLO STATO

COMPATTATO SEMPRE E IN TUTTE LE CELLULE, NON

VIENE MAI TRASCRITTA); FACOLTATIVA (RISULTA

INATTIVATA IN MODO SPECIFICO IN ALCUNE FASI DELLA

VITA DI UN ORGANISMO)

ES: SI HAIN UNO DEI DUE CROMOSOMI X INTERFASICI

DELLE FEMMINE DI MAMMIFERI: LE LORO CELLULE

POSSIEDONO DUE CROMOSOMI X, MENTRE QUELLE DEI

MASCHI HANNO UN X E UN Y.

NEI MAMMIFERI UNO DEI CROMOSOMI X FEMMINILI VIENE INATTIVATO

PERMANENTEMENTE, FORSE PERCHE’ UNA DOPPIA DOSE DI CERTI PRODOTTI

GENICI POTREBBE ESSERE LETALE. ALLORA UNO O L’ALTRO DEI DUE, A CASO, SI

ADDENSA FORTEMENTE E DIVENTA ETEROCROMATICO IN UNA FASE PRECOCE

DELLO SVILUPPO EMBRIONALE.

DA QUEL

MOMENTO, IN

TUTTA LA

NUMEROSA

PROGENIE

CELLULARE CHE

SEGUE, LO STATO

DI

CONDENSAZIONE

E INATTIVITA’ DI

QUEL

CROMOSOMA X

VIENE

EREDITATO.

CROMOSOMI

STRUTTURA MOLTO COMPATTA E COLORABILE, VISIBILE AL MICROSCOPIO OTTICO DURANTE LA DIVISIONE

CELLULARE, IN PARTICOLARE DURANTE LA METAFASE, QUANDO VIENE RAGGIUNTO IL MASSIMO LIVELLO DI

COMPATTAMENTO DELLA CROMATINA.

Ogni cromosoma è una

lunga molecola di DNA

(assieme a specifiche

proteine) la quale

contiene le informazioni

necessarie al

funzionamento della

cellula (e che verranno

trasmesse alle cellule

figlie)

In ogni specie i cromosomi si presentano con un numero e una

struttura caratteristici. Ad esempio il corredo cromosomico umano è di

46 cromosomi (23 coppie di cromosomi omologhi).

Tutte le cellule di un dato organismo

hanno lo stesso numero di cromosomi

(ad eccezione dei gameti che ne

hanno esattamente la metà)

CROMOSOMA MITOTICO

Cromosoma non duplicato

Cromosoma duplicato

METACENTRICI

SUBMETACENTRICI o

ACROCENTRICI

TELOCENTRICI

BRACCI

CROMOSOMICI

BRACCIO CORTO (p)

BRACCIO LUNGO (q)

BANDEGGIO

REGIONI e BANDE

(numeri arabi dal

centromero verso la parte

terminale del cromosoma)

14q2.1

COESINE

NUCLEOLO

STRUTTURA SPECIALIZZATA COMPRENDENTE UN

GRUPPO DI GENI CHE PORTANO L’INFORMAZIONE PER

GLI RNA RIBOSOMALI (rDNA), I TRASCRITTI

CORRISPONDENTI E PROTEINE.

LUOGO DI ASSEMBLAGGIO DELLE

SUBUNITÀ DEI RIBOSOMI

REGIONE FIBRILLARE:

contiene l’rDNA (ORGANIZZATORE

NUCLEOLARE) IN FORMA DI

CROMATINA PARZIALMENTE

COMPATTA, RNA POLIMERASI I E

FATTORI DI TRASCRIZIONE.

I centri fibrillari sono circondati da una

COMPONENTE FIBRILLARE

DENSA = geni ribosomiali

trascrizionalmente attivi → cromatina

meno condensata

REGIONE GRANULARE:

particelle ribosomali a vari stadi di

assemblaggio