struttura del DNA 1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI” di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

La struttura del DNA

struttura del DNA 2

Nel 1865 Mendel pubblica i suoi lavori.

Nel 1869 il medico tedesco Friedrick Miescher isola nel nucleo cellulare un composto contenente fosforo, che si presenta in lunghe molecole, cui si da il nome di nucleina. Il suo ruolo resta tuttavia sconosciuto.

Nel 1866 viene ipotizzato per la prima volta che sia il nucleo della cellula a trasmettere i caratteri ereditari

Il nucleo cellulare viene descritto per la prima volta nel 1831 dal botanico e microscopista scozzese Robert Brown

R. Brown

F. Miescher

Nel 1880 il biochimico tedesco Albrecht Kossel riuscì a determinare la composizione chimica della nucleina

struttura del DNA 3

• 1 zucchero

• 1 gruppo fosfato

• 1 base azotata

Purine (2 anelli di atomi) Pirimidine (1 anello di atomi)

Oltre a queste sostanze era poi presente una pari quantità di proteine di vario tipo

adenina guanina

citosina timinauracile

struttura del DNA 4

Nel 1902 Walter Sutton formula la teoria cromosomica dell’ereditarietà: i cromosomi veicolano i geni; collegamento tra meiosi e leggi di Mendel.

Nel 1900 viene riscoperto il lavoro di Mendel

Nel 1887 viene descritta la meiosi.

Nel 1888 viene coniato il termine cromosoma

“L’associazione dei cromosomi paterni e materni in coppie e la loro successiva separazione durante la meiosi potrebbero costituire la base fisica della legge mendeliana dell’eredità” Walter Sutton 1902

W. Sutton

Nel 1882 vengono osservati i cromosomi e viene descritta la mitosi.

Nel 1889 viene coniato il termine acido nucleico, in sostituzione di nucleina

struttura del DNA 5

Negli anni ’30 del ‘900 si scoprì che i tre componenti non proteici degli acidi nucleici erano uniti in raggruppamenti che vennero chiamati nucleotidi

P

P

Z

Z

B

B

I nucleotidi si legavano tra loro mettendo il gruppo fosforico a ponteG

A

A

C

C

T

NUCLEOTIDENUCLEOTIDENUCLEOTIDENUCLEOTIDE

In questa maniera si potevano formare lunghissime catene

struttura del DNA 6

Si scoprì inoltre che le molecole di zucchero presenti negli acidi nucleici erano di due tipi: ribosio e deossiribosio

Ogni molecola di acido nucleico conteneva zuccheri di un tipo o dell’altro, ma non di entrambi

Esistevano quindi due tipi di acido nucleico: l’acido ribonucleico (RNA) e l’acido deossiribonucleico (DNA)

Il DNA conteneva inoltre solo 4 delle basi azotate: adenina, guanina, citosina e timina; mentre l’RNA conteneva invece adenina, guanina, citosina e uracile

Tuttavia fino agli inizi degli anni ’40 si riteneva che la parte più importante del contenuto del nucleo fosse quella proteica, mentre agli acidi nucleici veniva attribuito solo un ruolo accessorio

struttura del DNA 7

Gli acidi nucleici hanno infatti solo 4 monomeri, mentre le proteine ne hanno venti, quasi quante sono le lettere dell’alfabeto

Si ipotizzò che gli aminoacidi costituissero una sorta di linguaggio della vita, capace di fornire le istruzioni per tutte le attività cellulari.

Si suppose persino che le proteine dei cromosomi costituissero delle specie di stampi, da cui sarebbero state copiate tutte le proteine necessarie al funzionamento della cellula

Le proteine hanno una struttura più complessa di quella degli acidi nucleici

Tale situazione cambiò solo quando si ripresero in esame degli studi effettuati molti anni prima da un batteriologo americano, Frederick Griffith, sui ceppi batterici che inducono nei ratti una forma di polmonite

struttura del DNA 8

I ceppi batterici sono due:

1. Ceppo S (dotato di capsula protettiva) letale

F. Griffith 1928

2. Ceppo R (privo di capsula protettiva) non letale

La capacità di produrre la capsula ed uccidere i topi è ereditaria

3. I batteri capsulati uccisi col calore non uccidono i topi

4. Un miscuglio di batteri capsulati uccisi col calore e batteri non capsulati vivi uccide i topi. Nel sangue dei topi uccisi si trovano batteri capsulati vivi

Qualcosa si è trasferito dai batteri morti a quelli vivi, conferendo loro la capacità di produrre capsule ed uccidere i topi

Il fenomeno fu chiamato trasformazione ed il qualcosa responsabile di esso fu detto fattore trasformante

struttura del DNA 9

Nel 1943 l’americano O.T. Avery riuscì a dimostrare che il fattore trasformante era costituito da DNA

Esperimenti successivi dimostrarono che parecchi altri caratteri ereditari potevano essere trasferiti da un ceppo batterico all’altro, attraverso il DNA

Le scoperte di Avery ebbero tuttavia un riconoscimento lento, sia perché i batteri, poiché procarioti, erano considerati inferiori e differenti, sia perché il DNA, formato da soli 4 monomeri, sembrava troppo semplice per un compito complesso come trasferire informazioni ereditarie

Agli inizi degli anni ’40 erano iniziati altri importanti esperimenti con materiali adatti, destinati a diventare importanti per la genetica quanto il pisello ed il moscerino della frutta: i virus batteriofagi

25 minuti dopo che un virus ha infettato un batterio, questo scoppia, liberando centinaia di nuovi virus, tutte copie esatte del virus originario

L’analisi chimica rivelò che i virus sono costituiti unicamente da DNA e proteine, i due concorrenti al ruolo di materiale genetico

struttura del DNA 10

Le proteine contengono S, ma non P; il DNA contiene P, ma non S

Nel 1952 Hershey e Chase prepararono artificialmente due campioni di virus

Uno il cui DNA era marcato con P radioattivo

Uno le cui proteine erano marcate con S radioattivo

Una volta avvenuta l’infezione, le cellule batteriche furono separate per centrifugazione dalle capsule virali rimaste fuori della cellula

Lo S radioattivo restava fuori dai batteri, insieme ai rivestimenti virali

Il P radioattivo penetrava nei batteri, infettandoli e causando la produzione di altri virus radioattivi.

Il materiale genetico dei virus era quindi il DNA e non le proteine

struttura del DNA 11

Circa negli stessi anni il biochimico Erwin Chargaff dimostrò che in ogni molecola di DNA il numero di molecole adenina (purina) era uguale a quello delle molecole di timina (pirimidina), mentre il numero delle molecole di guanina (purina) è uguale a quello delle molecole di citosina (pirimidina)

A = T

G = C

Il motivo di ciò era nel numero di legami idrogeno che si potevano creare tra pirimidine e purine

Le proporzioni delle 4 basi azotate sono uguali in tutte le cellule di una data specie, ma variano da una specie all’altra.

Le basi si susseguono quindi secondo sequenze non regolari, originando moltissime variazioni, che possono costituire un linguaggio nel quale scrivere le istruzioni per il funzionamento della cellula

Purine Pirimidine

A % G% C% T%

Uomo 30,4 19,6 19,9 30,1

Bue 29,0 21,2 21,2 28,7

Grano 28,1 21,8 22,7 27,4

struttura del DNA 12

Sempre agli inizi degli anni ’50 Maurice Wilkins e Rosalind Franklin studiavano la struttura del DNA, utilizzando la diffrazione a raggi X

Essi riuscirono a dimostrare che la molecola aveva una struttura ad elica, simile a quella che negli stessi anni era stata individuata nelle proteine

struttura del DNA 13

Nel 1953 il fisico inglese Francis Crick ed il biologo americano James Watson iniziarono ad occuparsi della struttura del DNA

Senza svolgere esperimenti ulteriori, iniziarono a riordinare i dati raccolti fino a quel momento

Francis Crick James Watson

Crick, esperto di raggi x, analizzando i risultati di Wilkins e Franklin, intuì che la struttura del DNA era formata da una lunga doppia elica

Mentre Watson, partendo dai risultati di Chargaff, utilizzò le proprie conoscenze di biochimica per analizzare i legami che si instauravano tra purine e pirimidine

struttura del DNA 14

Torsione

Immaginiamo una scala a pioli, coi montanti formati da molecole di zucchero e gruppi fosfato e i pioli costituiti dalle basi azotate, e ruotiamola quindi su se stessa

Sulle immagini ottenute dalla Franklin, Crick calcolò che la distanza tra i due montanti doveva essere di 2 nanometri, esattamente la lunghezza della molecola ottenuta legando le purine e le pirimidine secondo i dati di Chargaff.

2nm

struttura del DNA 15

Lavorando con modelli di stagno e di ferro, Watson e Crick riuscirono a costruire il puzzle, collocando ogni pezzo al giusto posto

Poiché la molecola di DNA può essere lunga migliaia di nucleotidi, è possibile una enorme varietà nella sequenza delle basi; si ottiene così la complessità richiesta per il materiale genetico

It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated suggests a possible copying mechanism for the genetic material.

Montando la struttura Watson e Crick si accorsero inoltre che la regola di appaiamento delle basi rendeva complementari i due rami della molecola, aprendo così uno spiraglio sul possibile meccanismo di duplicazione del DNA