Il  Codice  Gene,co  

Il  dogma  centrale,  il  flusso  dell’informazione  genica  e  la  

decifrazione  della  informazione  del  DNA  

Corso  di  Laurea  in  Chimica  e  Tecnologie  Farmaceu,che  a.a.  2011-­‐2012  

Università  di  Catania  

Stefano  Forte  

Il  dogma  centrale  e  le  prime  ipotesi  sul  codice  gene,co  

•  Le  funzioni  del  materiale  gene,co  – Deve  potersi  replicare  – Deve  potersi  esprimere  

•  Come  avviene  l’espressione?  •  Negli  eucario,  in  DNA  non  abbandona  il  nucleo  •  Il  DNA  lo  stesso  in  tuJe  le  cellule  di  un  organismo  •  Il  DNA  rimane  costante  nel  tempo  •  Nel  1945  Beadle:  un  gene  -­‐>  un  enzima  •  Linearità  geni  e  sequenze  proteiche  

Il  dogma  centrale  e  le  prime  ipotesi  sul  codice  gene,co  

Effettuata da alcuni virus a RNA chiamati retrovirus

Il  flusso  dell’informazione  genica

• L’informazione genica è contenuta nel DNA

• Questa informazione è perpetuata nelle generazioni future tramite il processo semiconservativo chiamato duplicazione del DNA

• L’espressione della informazione genica è invece un processo che passa attraverso un intermediario transitorio: l’RNA messaggero. Questa molecola è sintetizzata sulla base di uno STAMPO sul DNA e l’informazione in esso contenuta serve per dirigere la sintesi di proteine.

• L’informazione passa (quasi) sempre dal DNA all’RNA e da questo alle proteine.

DNA RNA Proteina Trascrizione Traduzione

Mantenimento dell’informazione Trasferimento dell'informazione Ruolo funzionale

Informazione contenuta nella sequenza

Informazione contenuta nella sequenza e nella quantità

Informazione contenuta nella struttura e nella quantità

Retrotrascrizione

Il  contenuto  informa,vo  del  DNA

La struttura del DNA è costante. Il DNA è sempre una doppia elica INDIPENDENTEMENTE dalla sequenza di nucleotidi che lo compone. L’ossatura di zucchero e fosfato è costante. La parte variabile, e quindi più informativa, è rappresentata dalla sequenza di BASI AZOTATE. Per questo motivo è possibile rappresentare l’informazione contenuta nel DNA con una lunga sequenza composta da un alternanza 4 caratteri che rappresentano le basi azotate del DNA. GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGGAGCTGAGGAGCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGGTCGCACACATCCACCGGCGCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCGCCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCGGTAGACGCGACCACAGAAGATGTCGGGCCAAACGCTCACGGATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCTCTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTACTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGATCCAGGCTACCAACGAGACCAATGTTAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGGGTGGTTGTGTTTAAGGCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTCTAGAAATACACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAA

Le  proteine:  natura  ed  informazione •  Le proteine sono macromolecole polimeriche. I costituenti delle

proteine sono gli aminoacidi. •  Gli aminoacidi sono molecole caratterizzate dalla presenza di

un gruppo aminico (basico) ed un gruppo acido che costituiscono la parte costante della molecola e da un “residuo” variabile che conferisce ad ogni aminoacido caratteristiche diverse.

•  Il gruppo acido di un aminoacido ed il gruppo basico dell’aminoacido successivo si uniscono tra loro tramite un legame covalente forte chiamato legame peptidico. La ripetizione lineare di questi legami peptidici costituisce lo “scheletro” della catena polipeptidica.

•  I “residui”, che costituiscono la parte variabile, possono interagire tra loro. Residui apprtenenti ad aminoacidi distanti tra loro possono interagire tramite legami deboli portando ad un “ripiegamento” della catena lineare della proteina. Queste interazioni sono alla base della struttura 3d della proteina.

Le  proteine:  natura  ed  informazione Gli  aminoacidi    Esistono   20   diversi   aminoacidi   che  combina,   tra   loro   cos,tuiscono  tuJe   le   proteine   contenute   negli  organismi  viven,.  Ques,  aminoacidi  hanno  struJura  chimica  e  proprietà  diverse.          

Le  proteine:  natura  ed  informazione

HQVKVQGCWGRWRWQEFENAEGDEYAADLAQGSPATAAQNGPDVYVLPLTEVSLPMAKQPGRSVQLLKSTDVGRHSLLYLKEIGRGWFGKVFLGEVNSGISSAQVVVKELQASASVQEQMQFLEEVQPYRALKHSNLLQCLAQCAEVTPYLLVMEFCPLGDLKGYLRSCRVAESMAPDPRTLQRMACEVACGVLHLHRNNFVHSDLALRNCLLTADLTVKIGDYGLAHCKYREDYFVTADQLWVPLRWIAPELVDEVHSNLLVVDQTKSGNVWSLGVTIWELFELGTQPYPQHSDQQVLAYTVREQQLKLPKPQLQLTLSDRWYEVMQFCWLQPEQRPTAEEVHLLLSYLCAKGATEAEEEFERRWRSLRPGGGGVGPGPGAAGPMLGGVVELAAASSFPLLEQFAGDGFHADGDDVLTVTETSRGLNFEYKWEAGRGAEAFPATLSPGRTARLQELCAPDGAPPGVVPVLSAHSPSLGSEYFIRLEEAAPAAGHDPDCAGCAPSPPATADQDDDSDGSTAASLAMEPLLGHGPPVDVPWGRGDHYPRRSLARDPLCPSRSPSPSAGPLSLAEGGAEDADWGVAAFCPAFFEDPLGTSPLGSSGAPPLPLTGEDELEEVGARRAAQRGHWRSNVSANNNSGSRCPESWDPVSAGCHAEGCPSPKQTPRASPEPGYPGEPLLGLQAASAQEPGCCPGLPHLCSAQGLAPAPCLVTPSWTETASSGGDHPQAEPKLATEAEGTTGPRLPLPSVPSPSQEGAPLPSEEASAPDAPDALPDSPTPATGGEVSAIKLASALNGSSSSPEVEAPSSEDEDTAEATSGIFTDTSSDGLQARRPDVVPAFRSLQKQVGTPDSLDSLDIPSSASDGGYEVFSPSATGPSGGQPRALDSGYDTENYESPEFVLKEAQEGCEPQAFAELASEGEGPGPETRLSTSLSGLNEKNPYRDSAYFSDLEAEAEATSGPEKKCGGDRAPGPELGLPSTGQPSEQVCLRPGVSGEAQGSGPGEVLPPLLQLEGSSPEPSTCPSGLVPEPPEPQGPAKVRPGPSPSCSQFFLLTPVPLRSEGNSSEFQGPPGLLSGPAPQKRMGGPGTPRAPLRLALPGLPAALEGRPEEEEEDSEDSDESDEELRCYSVQEPSEDSEEEAPAVPVVVAESQSARNLRSLLKMPSLLSETFCEDL

Così   come   già   visto   per   le   sequenze   di   DNA   o   RNA,   che   vengono  rappresentate  come  stringhe  composte  dal  susseguirsi  di  4  possibili  caraJeri  che   corrispondono   ai   4   possibili   nucleo,di,   anche   le   sequenze   proteiche  possono   essere   rappresentate   da   stringhe.   In   questo   caso   i   possibili  aminoacidi   sono   20   e   di   conseguenza   anche   l’alfabeto   u,lizzato   nelle  sequenze  proteiche  è  cos,tuito  da  (almeno)  20  caraJeri.  

•  L’informazione genica passa del DNA all’RNA. L’informazione

contenuta in queste molecole è simile, ed il meccanismo di trasmissione dell’informazione (la complementarietà delle basi) permette di copiare l’informazione del DNA sull’RNA utilizzando lo stesso alfabeto (con l’eccezione dell’utilizzo dell’U al posto della T)

•  Nel passaggio da RNA a proteina il tipo di informazione cambia notevolmente. Si deve passare da un alfabeto chimico basato su 4 diversi nucleotidi ad un alfabeto chimico basato su 20 diverse aminoacidi.

•  L’impossibilità di mantenere una corrispondenza univoca tra nucleotide ed aminoacido impone l’utilizzo di una codifica

AATGTATTC TTACATAAG TTACATAAG

AAUGUAUUC

La  necessità  di  codificare  l’informazione  

Decifrazione  del  codice  gene,co  

•  Quan,tà  e  densità  di  informazione  •  Coppie?  TripleJe?  Quadruple?  Tuple?  

a.  Un  gruppo  di  tre  basi  codifica  per  un  aminoacido  b.  Il  codice  non  è  sovrapposto  c.  La  sequenza  di  basi  viene  leJa  a  par,re  da  un  

punto  di  inizio  fisso  e  non  c’è  par,colare  punteggiatura  

Decifrazione  del  codice  gene,co  Le  mutazioni  per  inserzione  o  delezione  alterano  tuJa  la  sequenza  proteica  a  valle  per  frameshi\  

Decifrazione  del  codice  gene,co  Mutan,  del  gene  RII  del  fago  T4  oJenu,  mediante  traJamento  con  acrilammide  (induzione  di  inserzioni  o  delezioni)  

Decifrazione  del  codice  gene,co  

Decifrazione  del  codice  gene,co  

Decifrazione  del  codice  gene,co  

StruJura  del  codice  gene,co  e  sue  proprietà  

Il fenomeno per il quale esistono diverse triplette che codificano per lo stesso aminoacido è definito come “degenerazione del codice”

La maggior parte degli aminoacidi è codificata da 2 o più triplette. La metionina è codificata solo dal codone AUG che rappresenta anche il codone di inizio della sintesi proteica. I codoni UGG UAA e UAG sono chiamati codoni di STOP. Ad essi con corrisponde nessun aminoacido ma rappresentano i segnali di terminazione per la sintesi proteica.

La  retrotraduzione?  

Il codice genetico Le conseguenze della degenerazione del codice

• E’ sempre possibile passare dall’informazione contenuta nei nucleotidi alla corrispondente sequenza proteica: ad ogni tripletta può essere associato uno ed un solo aminoacido.

• Non è mai possibile ottenere, in modo univoco, una sequenza nucleotidica a partire dalla sequenza proteica da essa generata

MEFGLKEFLLNPSTPEGKLTPQRQTNPVWYACAWA Sequenza proteica

AUG

GAA

GAG UUU

UUC

GGA

GGC

GGG

GGU

La retrotraduzione non è risolvibile in maniera esatta e non può essere dai

sistemi biologici.

Il codice genetico Il vacillamento della terza base

I CODONI CHE RAPPRESENTANO LO STESSO A.A., O A.A. CORRELATI, HANNO SEQUENZE SIMILI.

SPESSO LA BASE CHE OCCUPA LA TERZA POSIZIONE DEL CODONE NON E’ SIGNIFICATIVA, COME DIMOSTRA IL FATTO CHE NEI GRUPPI DI 4 CODONI CHE RAPPRESENTANO LO STESSO A.A., SOLO LA TERZA BASE E’ DIFFERENTE.