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Unità 1 La biologia molecolare del gene
Unità 1
Obiettivi
Conoscere la struttura delle molecole del DNA e dell’RNA
Comprendere il meccanismo di duplicazione del DNA
Comprendere come viene decodificata l’informazione genetica contenuta nel DNA
Conoscere le funzioni dei diversi tipi di RNA
Comprendere come avviene la sintesi delle proteine all’interno delle cellule
Conoscere i meccanismi con cui i virus infettano le cellule
La biologia molecolare del gene
Prova di competenza – A scuola dai virus
Perché, per studiare il funzionamento del DNA a livello molecolare, i virus sono stati preferiti ad altri modelli come le drosofile di Morgan?
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Lezione 1
LA STRUTTURA DEL MATERIALE GENETICO
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1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
L’esperimento di Frederick Griffith
– Griffith studiava due ceppi di un batterio: uno causava la polmonite nei topi, l’altro era innocuo
– Iniettò nei topi batteri del ceppo patogeno uccisi con il calore e batteri del ceppo innocuo vivi
– In queste condizioni alcuni batteri innocui diventavano patogeni e trasferivano la caratteristica alla propria prole
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–Poi fecero infettare dai due gruppi di virus marcati differentemente due diversi gruppi di batteri
– Proteine radioattive: batteri non radioattivi
– DNA radioattivo: batteri radioattivi
–Le proteine, dunque, rimanevano all’esterno dei batteri infettati, mentre il DNA veniva inserito al loro interno
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
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–Una qualche sostanza presente nei batteri patogeni uccisi doveva essere stata trasferita a quelli innocui causando un cambiamento che poteva essere ereditato dai discendenti
–Griffith chiamò questa sostanza “fattore trasformante”
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
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1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che il DNA è il materiale genetico
– I virus batterici sono chiamati batteriofagi o, più sinteticamente, fagi
– Il fago T2 è costituito unicamente da DNA e da un rivestimento di proteine
– I due biologi crearono due ceppi di T2
– Ceppo allevato su zolfo radioattivo: proteine marcate Ceppo allevato su fosforo radioattivo: DNA marcato
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–Se i batteri infettati con fagi dotati di DNA radioattivo venivano posti in coltura si lisavano liberando nuovi fagi dotati di DNA radioattivo
–Dunque i fagi avevano inserito soltanto il proprio DNA nei batteri infettati e questo era stato trasferito alla generazione successiva di fagi
–Il DNA era quindi responsabile del trasferimento dell’informazione genetica
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
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Ceppo 1 Proteine radioattive
Batterio
Proteine radioattive
DNA
Fago
Precipitato
DNA radioattivo
Ceppo c2 DNA radioattivo
Involucro proteico vuoto
Fago DNA
Centrifuga
Radioattività nel liquido
Si misura la radioattività
nel precipitato e nel liquido
sovrastante
4 La miscela viene
centrifugata; i batteri
formano un precipitato
sul fondo della provetta
3 I fagi che si trovano
all’esterno dei batteri
vengono separati dalle
cellule e dal loro contenuto
usando un frullatore
2 I fagi radioattivi vengono
mescolati con i batteri;
i fagi infettano le cellule
batteriche
1
Precipitato
Centrifuga Radioattività nel precipitato
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Ceppo 1 Proteine radioattive
Batterio
Proteine radioattive
DNA
Fago
DNA radioattivo
Ceppo 2 DNA radioattivo
I fagi che si trovano
all’esterno dei batteri
vengono separati dalle
cellule e dal loro contenuto
usando un frullatore
2 I fagi radioattivi vengono
mescolati con i batteri;
i fagi infettano le cellule
batteriche
1
Involucro proteico vuoto
Fago DNA
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Precipitato
Involucro proteico vuoto
Fago DNA
Centrifuga
Radioattività nel liquido
Si misura la radioattività
nel precipitato e nel liquido
sovrastante
La miscela viene
centrifugata; i batteri
formano un precipitato
sul fondo della provetta
Precipitato
Centrifuga Radioattività nel precipitato
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STEP BY STEP
Che cosa convinse Hershey e Chase del fatto che il materiale genetico del fago T2 è rappresentato dal DNA e non dalle proteine?
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
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1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
Il DNA e l’RNA sono acidi nucleici costituiti da lunghe catene (o polimeri) di unità chimiche (o monomeri) dette nucleotidi
Ogni nucleotide include tre componenti
– Una base azotata
– Adenina, Citosina, Timina o Guanina nel DNA
– Uno zucchero
– Desossiribosio nel DNA
– Un gruppo fosfato
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1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
Lo scheletro zucchero-fosfato
– I nucleotidi sono uniti da legami covalenti tra lo zucchero di un nucleotide e il gruppo fosfato del nucleotide successivo
– Questa struttura che si ripete per tutta la lunghezza del polinucleotide
– All’esterno di questo scheletro sporgono le basi azotate
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1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
Le differenze tra RNA e DNA
– DNA: desossiribosio, RNA: ribosio
– DNA: timina, RNA: uracile
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Scheletro zucchero-fosfato
Nucleotide di DNA
Gruppo fosfato
Base azotata
Zucchero
Polinucleotide di DNA
Nucleotide di DNA
Zucchero (desossiribosio)
Timina (T)
Nbase azotata (A, G, C, o T)
Gruppo fosfato
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Zucchero (desossiribosio)
Timina (T)
Base azotata (A, G, C, o T)
Gruppo fosfato
20
Pirimidine
Guanina (G) Adenina (A) Citosina (C) Timina(T)
Purine
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Zucchero (ribosio)
Uracile (U)
Base azotata (A, G, C, o U)
Gruppo fosfato
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Ribosio
Citosina
Uracile
Fosfato
Guanina
Adenina
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1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
STEP BY STEP
Quali sono le analogie e le differenze tra la struttura del DNA e quella dell’RNA?
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1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio
filamento
James D. Watson e Francis Crick ricostruirono la struttura tridimensionale del DNA utilizzando i dati ottenuti con la cristallografia raggi X da Rosalind Franklin e Maurice Wilkins
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1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio
filamento
Il modello a doppia elica
– La molecola di DNA può essere immaginata come come una scala di corda con rigidi pioli di legno avvolta su se stessa
– Le due corde laterali sono equivalenti agli scheletri zucchero-fosfato
– I pioli rappresentano le coppie di basi azotate unite da legami idrogeno
– Ogni base si appaia con la sua base complementare
– A - T
– G - C
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Avvolgimento
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30
Coppia
di basi appaiate
Modello a nastro
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Legame idrogeno
Particolare della struttura chimica
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Modello computerizzato
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1.3 Il DNA ha la struttura di un’elica a doppio
filamento
STEP BY STEP
Se lungo un filamento della doppia elica troviamo la sequenza nucleotidica GGCATAGGT, qual è la sequenza complementare sull’altro filamento di DNA?
Lezione 2
LA DUPLICAZIONE DEL DNA
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1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo
specifico appaiamento delle basi azotate
Il modello semiconservativo
– I due filamenti di DNA originario si separano
– Ognuno di essi diventa uno stampo per l’assemblaggio di un filamento complementare a partire da una riserva di nucleotidi liberi disponibili nell’ambiente
– I nucleotidi si allineano uno alla volta lungo il filamento stampo, seguendo la regola dell’appaiamento delle basi
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1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo
specifico appaiamento delle basi azotate
– Appositi enzimi uniscono i nucleotidi formando il nuovo filamento di DNA
– Per ogni molecola di DNA originaria si ottengono due “molecole figlie” identiche, ognuna formata da un nuovo filamento e un filamento della molecola originaria
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Molecola originaria
di DNA
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Molecola originaria
di DNA
Nucleotidi
I due filameni originari agiscono da stampo
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Molecola originaria
di DNA
Nucleotidi
I due filameni originari agiscono da stampo
Due molecole figlie di DNA identiche
41
STEP BY STEP
In che modo l’appaiamento complementare delle basi rende possibile la duplicazione del DNA?
1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo
specifico appaiamento delle basi azotate
42
1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
La duplicazione del DNA inizia in particolari punti di origine della duplicazione
– I filamenti di DNA si separano origine a bolle di duplicazione
– La duplicazione procede quindi in entrambe le direzioni allargando le bolle di duplicazione
– Tutte le bolle che si aprono su un cromosoma finiscono poi per fondersi una con l’altra generando due nuove molecole complete di DNA
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1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
Gli enzimi DNA polimerasi sono responsabili della sintesi dei nuovi filamenti di DNA, legando i nucleotidi che si appaiano spontaneamente al filamento stampo
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1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
La DNA polimerasi può soltanto allungare un filamento presente, ma non partire da zero
L’enzima primasi sintetizza il primer, breve molecola di RNA da cui la DNA polimerasi può far partire la sintesi
I primer vengono eliminati e sostituiti da DNA al termine della duplicazione
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1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
Un filamento di DNA di nuova sintesi può crescere esclusivamente nella direzione 5’ 3’
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Origine della duplicazione Filamento originario
Filamento di nuova sintesi
Bolla
Due molecole figlie di DNA
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STEP BY STEP
Quali sono le caratteristiche della DNA polimerasi?
1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
Lezione 3
IL PASSAGGIO DELL’INFORMAZIONE
GENETICA DAL DNA ALL’RNA ALLE PROTEINE
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1.6 La duplicazione del DNA procede in modo
discontinuo sul filamento antiparallelo
Dato che la DNA polimerasi può allungare il filamento in una sola direzione la sintesi procede in modo differente sui due filamenti
Per ogni forcella di duplicazione
– Filamento veloce: dopo il primo innesco è assemblato in modo continuo
– Filamento lento: viene sintetizzato un frammento alla volta (frammenti di Okazaki), via via che la forcella si apre
– Successivamente i frammenti di Okazaki vengono saldati tra loro dall’enzima DNA ligasi
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1.6 La duplicazione del DNA procede in modo
discontinuo sul filamento antiparallelo
STEP BY STEP
Perché la duplicazione del DNA non procede alla stessa velocità sui due filamenti?
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1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti
grazie alla DNA polimerasi e ad altri
meccanismi di riparazione
Raramente accade che venga inserito un nucleotide errato durante la duplicazione
– Nella maggior parte dei casi la stessa DNA polimerasi sostituisce il nucleotide con quello giusto
– Quando ciò non accade intervengono altri enzimi e correggono l’errore
– Una piccola percentuale di casi sfugge a entrambi i controlli
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STEP BY STEP
Quali saranno le conseguenze per una persona portatrice di una mutazione che riduce la funzionalità di un enzima coinvolto nella riparazione del DNA?
1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti
grazie alla DNA polimerasi e ad altri
meccanismi di riparazione
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1.8 Le estremità 5’ dei filamenti
di DNA non vengono duplicate
Una volta rimosso il primer all’estremità 5’ di un filamento la DNA polimerasi non è in grado di sostituirlo con DNA
Per questo i filamenti si accorciano a ogni ciclo di duplicazione
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1.8 Le estremità 5’ dei filamenti
di DNA non vengono duplicate
Alle estremità di ogni cromosoma si trovano sequenze non codificanti ripetute chiamate telomeri
Per impedire che i telomeri si accorcino troppo passando da una generazione all’altra, nelle cellule della linea germinale è presente l’enzima telomerasi, che ripristina la lunghezza dei telomeri fino al valore massimo
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1.8 Le estremità 5’ dei filamenti
di DNA non vengono duplicate
STEP BY STEP
Che cosa succederà in una coltura cellulare nella quale le cellule presenti non esprimono l’enzima telomerasi?
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1.9 L’informazione genetica codificata
nel DNA viene tradotta nella sequenza
delle proteine
Il dogma centrale della biologia molecolare: un gene non sintetizza direttamente una proteina, ma fornisce le istruzioni sotto forma di RNA, che a sua volta programma la sintesi proteica
Citoplasma
Nucleo
DNA
65
Citoplasma
Nucleo
DNA
Trascrizione
RNA
66
Ctoplasma
Nucleo
DNA
Trascrizione
RNA
Traduzione
Proteina
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68
1.9 L’informazione genetica codificata
nel DNA viene tradotta nella sequenza
delle proteine
L’ipotesi “un gene-un polipeptide”
– Beadle e Tatum dimostrarono l’ipotesi “un gene-un enzima” attraverso studi su ceppi di Neurospora Crassa, nei quali all’assenza di un gene corrispondeva quella di un enzima metabolico
– L’ipotesi è stata confermata e ampliata a “un gene-una proteina”
– È stato poi dimostrato che alcune proteine sono composte da più polipeptidi ciascuno codificato da un gene diverso: l’ipotesi è dunque diventata “un gene-un polipeptide”
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STEP BY STEP
A che cosa servono la trascrizione e la traduzione?
1.9 L’informazione genetica codificata
nel DNA viene tradotta nella sequenza
delle proteine
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1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA
in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali
corrisponde a un amminoacido nella proteina
corrispondente
Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteina
– Per sintetizzare una proteina è necessario convertire la sequenza di nucleotidi in una sequenza di amminoacidi
– Durante la trascrizione l’informazione presente nel DNA viene trasferita all’RNA utilizzando il “linguaggio degli acidi nucleici”
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1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA
in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali
corrisponde a un amminoacido nella proteina
corrispondente
– Una sequenza di nucleotidi nel DNA contiene le informazioni per sintetizzare una proteinaNella traduzione il “linguaggio degli acidi nucleici” viene convertito nel “linguaggio dei polipeptidi”
– A ciascuna possibile sequenza di tre nucleotidi (chiamata codone) corrisponde uno specifico amminoacido
– I codoni possibili sono 64, gli amminoacidi 20
– A ogni amminoacido corrisponde più di un codone
Polipeptide
Traduzione
Trascrizione
Gene 1
Molecola di DNA
Filamento di DNA
Codone
Amminoacido
Gene 2
Gene 3
RNA
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Polipeptide
Traduzione
Trascrizione
Filamento di DNA
Codone
Amminoacido
RNA
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75
1.10 L’informazione genetica è codificata nel DNA
in triplette di nucleotidi, ciascuna delle quali
corrisponde a un amminoacido nella proteina
corrispondente
STEP BY STEP
Una particolare proteina ha una lunghezza pari a 100 amminoacidi
Quanti nucleotidi sono necessari per codificarla?
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1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della
vita
Il codice genetico consiste di una serie di regole che stabiliscono la corrispondenza tra i codoni dell’RNA e gli amminoacidi delle proteine
– Soltanto 61 dei 64 codoni codificano per amminoacidi
– Gli altri sono codoni di arresto e segnalano la fine della traduzione
– La tripletta AUG codifica per la metionina e può indicare l’inizio di una catena polipeptidica
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1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della
vita
– Ridondanza: più di un codone codifica per lo stesso amminoacido
– Non ambiguità: nessun codone codifica per più di un amminoacido
– Non c’è punteggiatura: i codoni sono uno di seguito all’altro senza intervalli
– Il codice genetico è praticamente universale perché è condiviso da tutti gli organismi, dai più semplici batteri fino alle piante e agli animali più complessi
Pri
ma
ba
se
azo
tata
Te
rza
ba
se
azo
tata
Seconda base azotata
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Filamento da trascrivere
DNA
79
Filamento da trascrivere
DNA
Codone di inizio
RNA
Trascrizione
Codone di stop
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Filamento da trascrivere
DNA
Codone di inizio
RNA
Trascrizione
Codone di stop
Polipeptide
Traduzione
Met Lys Phe
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82
1.11 Il codice genetico è la “stele di Rosetta” della
vita
STEP BY STEP
Qual è la sequenza di amminoacidi che corrisponde alla sequenza CCAUUUACG di nucleotidi dell’RNA?
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1.12 La trascrizione produce messaggi genetici
sotto forma di RNA
L’RNA viene trascritto a partire dal DNA, attraverso un processo simile alla duplicazione del DNA
– I due filamenti di DNA si separano
– Solo uno dei due fa da stampo per la nuova molecola
– I nucleotidi di RNA si posizionano uno alla volta lungo il filamento stampo di DNA, formando legami idrogeno con le sue basi nucleotidiche
– Seguono la stessa regola di appaiamento delle basi complementari che vige nella duplicazione del DNA, solo che l’uracile prende il posto dell’adenina
– La RNA polimerasi catalizza la reazione
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1.12 La trascrizione produce messaggi genetici
sotto forma di RNA
Le fasi della trascrizione
– Inizio: l’RNA polimerasi si unisce al promotore sul DNA e incomincia la sintesi dell’RNA
– Allungamento
– Terminazione: l’RNA polimerasi raggiunge la sequenza di terminazione, che segnala la fine del gene, e si stacca sia dall’RNA sia dal gene
RNA polimerasi
RNA di nuova sintesi
Direzione della trascrizione Filamento stampo
di DNA
Nucleotidi di RNA
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1 Inizio
Dopo che l’RNA polimerasi si è legata al promotore, i
filamenti di DNA si svolgono e la polimerasi comincia la
sintesi dell’RNA a partire dal punto di inizio sul filamento
stampo
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2 Allungamento
La polimerasi si muove verso valle, svolgendo la
molecola di DNA e allungando il trascritto di RNA in
direzione 5’ 3’
2 Allungamento
Sulla scia della trascrizione, i filamenti di DNA
riformano la doppia elica
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3 Terminazione
Alla fine, il trascritto di RNA viene liberato e la
polimerasi si stacca dal DNA
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90
91
1.12 La trascrizione produce messaggi genetici
sotto forma di RNA
STEP BY STEP
Che cos’è un promotore?
Qual è la sua funzione?
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1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula
eucariote l’RNA messaggero viene modificato
L’RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi delle proteine è chiamato RNA messaggero (mRNA)
– Nei procarioti trascrizione e traduzione avvengono entrambe nel citoplasma
– Negli eucarioti l’RNA subisce alcune modifiche nel nucleo prima di essere trasferito nel citoplasma dove avviene la traduzione
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1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula
eucariote l’RNA messaggero viene modificato
Modifiche dell’RNA
– Aggiunta di un breve “cappuccio” a un’estremità (un unico nucleotide G)
– Aggiunta di una lunga coda all’altra estremità (una catena che contiene da 50 a 250 nucleotidi di adenina)
– RNA splicing: gli introni sono rimossi mentre gli esoni si uniscono producendo una molecola di mRNA
– Introni: regioni non codificanti presenti nei geni di piante e animali
– Esoni: regioni del gene che saranno poi espresse come amminoacidi
Trascritto
di RNA con
cappuccio e coda
Splicing degli esoni
Rimozione degli introni
Trascrizione, aggiunta
del cappuccio e della coda
Coda
DNA
mRNA
Cap
Esone Esone Esone Introne Introne
Sequenza codificante Nucleo
Citoplasma
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95
1.13 Prima di uscire dal nucleo della cellula
eucariote l’RNA messaggero viene modificato
STEP BY STEP
Perché molti geni degli eucarioti sono più lunghi del trascritto di mRNA che esce dal nucleo?
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1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da
interpreti durante la traduzione
Le molecole di RNA di trasporto (tRNA) sono gli “interpreti molecolari” che traducono i codoni in amminoacidi
– I tRNA assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione
– Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell’mRNA
– Sito di legame per l’amminoacido: all’estremità opposta all’anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido
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1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da
interpreti durante la traduzione
Le molecole di RNA di trasporto (tRNA) sono gli “interpreti molecolari” che traducono i codoni in amminoacidi
– I tRNA assumono una conformazione tridimensionale che permette loro di svolgere questa funzione
– Anticodone: è una tripletta di nucleotidi complementare a un codone dell’mRNA
– Sito di legame per l’amminoacido: all’estremità opposta all’anticodone è presente un sito di legame specifico per un singolo amminoacido
Anticodone
Sito di legame per l’amminoacido
Catena polinucleotidica di RNA
Legame idrogeno
98
99
100
1.14 Le molecole di RNA di trasporto agiscono da
interpreti durante la traduzione
STEP BY STEP
Che cos’è un anticodone e qual è la sua funzione?
101
1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi
I ribosomi coordinano il funzionamento di mRNA e tRNA ed eseguono materialmente l’assemblaggio dei polipeptidi
– Un ribosoma consiste di due subunità, ognuna formata da proteine e da un tipo di RNA detto RNA ribosomiale (rRNA)
– Ogni ribosoma ha un sito di legame per l’mRNA e due siti di legame per il tRNA
Molecole di tRNA
Polipeptide in formazione
Subunità maggiore
Subunità minore
mRNA
102
Siti di legame per il tRNA
Subunità maggiore
Subunità minore
Sito di legame per l’mRNA
103
mRNA
Amminoacido
seguente da
aggiungere
al polipeptide
Polipeptide in formazione
Codoni
tRNA
104
105
1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi
STEP BY STEP
Qual è il compito del ribosoma durante la sintesi proteica?
106
1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è
indicato da uno speciale codone
Il processo di traduzione può essere diviso in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione
Durante la fase di inizio l’mRNA entra in contatto con un tRNA che porta il primo amminoacido e avviene l’attacco delle due subunità del ribosoma
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1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è
indicato da uno speciale codone
La fase di inizio avviene in due tappe
1. Una molecola di mRNA si lega alla subunità ribosomiale più piccola e uno speciale tRNA di partenza si lega al codone di inizio AUG
- Il tRNA di partenza possiede l’anticodone UAC e trasporta l’amminoacido metionina (Met)
2. La subunità ribosomiale più grande si unisce a quella più piccola, formando un ribosoma funzionale
- Il tRNA di partenza si colloca in uno dei due siti di legame per il tRNA (detto sito P, cioè sito peptidico)
- L’altro sito del ribosoma, chiamato sito A (sito amminoacidico), ancora vuoto, è pronto per accogliere il successivo tRNA
Inizio del messaggio genetico
Fine
108
Subunità minore del ribosoma
Codone di inizio
Sito P
mRNA
Sito A
Subunità maggiore del ribosoma
tRNA di partenza
2 1
109
110
1.16 L’inizio del messaggio portato dall’mRNA è
indicato da uno speciale codone
STEP BY STEP
Che cosa può accadere se per un errore il codone di inizio viene sostituito da un altro codone?
111
1.17 Nella fase di allungamento la catena
polipeptidica si accresce finché il codone di
arresto termina la traduzione
L’allungamento è il processo con cui nuovi amminoacidi sono aggiunti al primo della sequenza, uno alla volta
112
1.17 Nella fase di allungamento la catena
polipeptidica si accresce finché il codone di
arresto termina la traduzione
L’aggiunta di un amminoacido avviene in tre fasi
1. Riconoscimento del codone: l’anticodone di una molecola di tRNA (unita all’amminoacido corrispondente) si appaia con il codone dell’mRNA nel sito A
2. Formazione del legame peptidico: il polipeptide si separa dal tRNA al quale era legato (nel sito P) e si attacca mediante un legame peptidico all’amminoacido trasportato dal tRNA nel sito A
3. Traslocazione: il tRNA del sito P lascia il ribosoma e il tRNA che si trovava nel sito A viene spostato, insieme al polipeptide, dal sito A al sito P
Polipeptide
A site
1 Riconoscimento del codone
Codoni
Amminoacido
Anticodone
Sito P
mRNA
113
Polipeptide
A site
1 Riconoscimento del codone
Codoni
Amminoacido
Anticodone
Sito P
mRNA
2 Formazione del legame peptidico
114
Polipeptide
A site
1 Riconoscimento del codone
Codoni
Amminoacido
Anticodone
Sito P
mRNA
3 Traslocazione
Nuovo legame peptidico
2 Formazione del legame peptidico
115
Polipeptide
A site
1 Riconoscimento del codone
Codoni
Amminoacido
Anticodone
Sito P
mRNA
3 Traslocazione
Nuovo legame peptidico
Codone di arresto
Spostamento dell’mRNA
2 Formazione del legame peptidico
116
117
1.17 Nella fase di allungamento la catena
polipeptidica si accresce finché il codone di
arresto termina la traduzione
La terminazione
− L’allungamento continua finché nel sito A del ribosoma giunge un codone di arresto (UAA, UAG o UGA) che interrompe la traduzione
− Il polipeptide completo si stacca dall’ultimo tRNA e abbandona il ribosoma, le cui subunità si separano di nuovo
118
STEP BY STEP
Che cosa accade al tRNA nel sito A e nel sito P del ribosoma durante la fase di allungamento?
1.17 Nella fase di allungamento la catena
polipeptidica si accresce finché il codone di
arresto termina la traduzione
119
1.18 In sintesi: il flusso dell’informazione genetica
procede dal DNA all’RNA e dall’RNA
alle proteine
Il flusso dell’informazione genetica
- Trascrizione: DNA RNA
- Traduzione: RNA proteine
Qual è il significato generale dei processi di trascrizione e traduzione?
- Attraverso questi processi il genotipo specifica il fenotipo
RNA polimerasi
Amminoacido
DNA Trascrizione
mRNA
tRNA
ATP
Traduzione
Enzima
tRNA di partenza
Subunità maggiore del ribosoma
Anticodone
Subunità minore del ribosoma
mRNA
Codone di inizio
Si forma un nuovo
legame peptidico Polipeptide in formazione
Codoni
mRNA
Polipeptide
Codone di arresto
L’mRNA è trascritto
a partire da un DNA
stampo
1
Ogni amminoacido
si lega al rispettivo
tRNA grazie all’aiuto
di uno specifico
enzima e dell’ATP
2
Inizio della sintesi
polipeptidica
L’mRNA, il primo tRNA
e le subunità
ribosomiali si uniscono
3
Allungamento
Molecole di tRNA
aggiungono
in successione
gli amminoacidi
alla catena polipeptidica
mentre l’mRNA si
sposta lungo il ribosoma,
un codone alla volta
4
Terminazione
Il ribosoma riconosce
un codone di arresto;
il polipeptide è terminato
e viene liberato
5
120
Inizio della sintesi
polipeptidica
L’mRNA, il primo tRNA
e le subunità
ribosomiali si uniscono
Ogni amminoacido
si lega al rispettivo
tRNA grazie all’aiuto
di uno specifico enzima
e dell’ATP
L’mRNA è trascritto
a partire da un DNA
stampo RNA
polimerasi
Amminoacido
DNA Trascrizione
mRNA
tRNA
ATP
Traduzione
Enzima
tRNA di partenza
Subunità maggiore del ribosoma
Anticodone
Subunità minore del ribosoma
mRNA
Codone di inizio
1
2
3
121
Si forma un nuovo
legame peptidico Polipeptide in formazione
Codoni
mRNA
Polipeptide
Codone di arresto
Allungamento
Molecole di tRNA
aggiungono
in successione
gli amminoacidi
alla catena polipeptidica
mentre l’mRNA si sposta
lungo il ribosoma,
un codone alla volta
4
Terminazione
Il ribosoma riconosce
un codone di arresto;
il polipeptide è terminato
e viene liberato
5
122
123
STEP BY STEP
Quale tra le molecole e le strutture elencate sotto non partecipa direttamente alla traduzione?
ribosomi tRNA • mRNA • DNA • ATP • enzimi
1.18 In sintesi: il flusso dell’informazione genetica
procede dal DNA all’RNA e dall’RNA
alle proteine
124
1.19 Le mutazioni possono modificare
il significato dei geni
Ogni variazione nella sequenza nucleotidica del DNA è chiamata mutazione
– Sostituzione di basi: un nucleotide viene scambiato con un altro
– Questa mutazione causa effetti sul fenotipo solo quando determina la sostituzione di un amminoacido rilevante per l’attività della proteina
– Inserzione e delezione di basi
– Possono alterare il quadro di lettura dell’mRNA
– Tutti i nucleotidi “a valle” della mutazione vengono infatti raggruppati in codoni diversi da quelli originali
– Solitamente causa la sintesi di un polipeptide non funzionale
125
1.19 Le mutazioni possono modificare
il significato dei geni
I meccanismi della mutagenesi
– Errori durante la duplicazione o la ricombinazione del DNA causano mutazioni spontanee
– Le mutazioni possono essere indotte dall’esposizione a particolari agenti mutageni
– Mutageni fisici, come radiazioni ad alta energia (UV, raggi X)
– Mutageni chimici: particolari composti in grado di interagire con il DNA
DNA dell’emoglobulina normale DNA dell’emoglobulina mutante
Emoglobulina dell’anemia falciforme Emoglobulina normale
mRNA mRNA
Val Glu
126
Gene normale
Proteina
Sostituzione di una base
Delezione di una base Base mancante
mRNA
Met Lys Phe Ser Ala
Met Lys Phe Gly Ala
Met Lys Leu Ala His
127
128
1.19 Le mutazioni possono modificare
il significato dei geni
STEP BY STEP
In che modo la sostituzione di una singola base nel DNA può dar luogo alla formazione di una catena polipeptidica più breve?
Lezione 4
LA GENETICA DEI VIRUS E DEI BATTERI
129
130
1.20 Le mutazioni possono modificare
il significato dei geni
I fagi hanno due tipi di ciclo riproduttivo
– Ciclo litico: comporta la rottura (lisi) della cellula ospite con conseguente liberazione dei virus che si sono formati al suo interno
– Ciclo lisogenico: la duplicazione del DNA virale si verifica senza la distruzione della cellula ospite
– Il DNA del fago si integra con il cromosoma batterico formando il profago
– Ogni volta che la cellula si divide, duplica il DNA del fago insieme al proprio e ne trasmette una copia alle cellule figlie
– In particolari condizioni un profago può separarsi dal cromosoma batterico trasformando il ciclo lisogeno in litico
Cromosoma batterico
Il fago inietta il proprio DNA
Fago
DNA del fago
Si ancora alla cellula
2
1
3
Il DNA del fago assume una forma circolare
Ciclo litico
4
Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi
Assemblaggio dei fagi
La cellula scoppia liberando i fagi
131
6 5
7
Il DNA del fago si integra
con il cromosoma batterico
Il batterio lisogeno si riproduce
normalmente, duplicando il
profago a ogni divisione
Profago
Ciclo lisogeno
Molte divisioni
cellulari
Cromosoma batterico
Il fago inietta il proprio DNA
Fago
DNA del fago
Si ancora alla cellula
2
1
3
Il DNA del fago assume una forma circolare
Ciclo litico
4
Vangono sintetizzati il DNA e le proteine dei fagi
Assemblaggio dei fagi
La cellula scoppia liberando i fagi
132
Cromosoma batterico
Il fago inietta il proprio DNA
Fago
Dna del fago
Si ancora alla cellula
Il DNA del fago assume
una forma circolare
Ciclo litico
Vengono sintetizzati il
DNA e le proteine del fago
Assemblaggio dei fagi
Assemblaggio dei fagi
1
2
3
4
133
Cromosoma batterico
Il fago inietta il proprio DNA
Il DNA del fago assume una forma circolare
Il DNA del fago si integra
con il cromosoma batterico
Il batterio lisogeno si riproduce
normalmente, duplicando il
profago a ogni divisione
Profago
Ciclo lisogenico
Molte divisioni cellulari
5
7
6
2
Fago
DNA del fago
Si ancora alla cellula
1
134
135
1.20 Il DNA virale può diventare parte del
cromosoma dell’ospite
STEP BY STEP
In che modo un virus può perpetuare i propri geni senza distruggere la cellula ospite?
COLLEGAMENTO salute
136
Un’armata invisibile
I virus possono provocare malattie negli animali e nelle piante
Solitamente i virus che attaccano le cellule animali hanno un involucro membranoso esterno ed estroflessioni simili a spine, costituite da glicoproteine
COLLEGAMENTO salute
137
Un’armata invisibile
Il ciclo riproduttivo di un virus a RNA
– Ingresso: l’involucro del virus si fonde allora con la membrana cellulare
– Alcuni enzimi rimuovono poi il rivestimento proteico
– Un enzima usa il genoma virale a RNA come stampo per sintetizzare filamenti complementari di RNA
– mRNA per la sintesi di nuove proteine virali
– Stampi per sintetizzare nuovo RNA virale
– Le nuove proteine di rivestimento si assemblano intorno al nuovo RNA virale
– Le particelle virali lasciano la cellula utilizzando parte della sua membrana plasmatica come involucro
COLLEGAMENTO salute
138
Un’armata invisibile
Alcuni virus si riproducono nel nucleo della cellula ospite
La maggior parte dei virus che attaccano le cellule vegetali è costituita da virus a RNA
– Per infettare una pianta, un virus deve riuscire a oltrepassare lo strato protettivo esterno delle cellule
– Una volta all’interno, il virus può riprodursi e propagarsi in tutta la pianta facilmente, sfruttando i plasmodesmi
Membrana plasmatica
della cellula ospite
VIRUS
Ingresso
Rimozione del rivestimento
RNA virale
(genoma)
RNA virale
(genoma)
2
1
3
Involucro
membranoso
Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica
Sintesi di RNA veicolata
da un enzima virale
Filamento
stampo
Sintesi
di RNA
Sintesi
proteica
mRNA
4 5
6
Nuovo
genoma virale Nuove
proteine virali Assemblaggio
7
Uscita
139
Membrana plasmatica
della cellula ospite
VIRUS
Ingresso
RNA virale
(genoma)
RNA virale
(genoma)
2
Involucro membranoso
Rivestimento proteico Estroflessione glicoproteica
Rimozione
del rivestimento
Sintesi di RNA veicolata
da un enzima virale 3
1
140
Filamento
stampo
Sintesi di RNA sintesi
proteica
Nnuovo
genoma virale
mRNA
Nuove
proteine virali
Assemblaggio
Uscita
4 5
6
7
141
142
1.21 La salute delle popolazioni umane è
minacciata dalla comparsa di nuovi virus
I virus che compaiono improvvisamente o quelli i cui effetti sono ancora sconosciuti alla scienza medica vengono chiamati virus emergenti
Da dove vengono tutti questi virus?
– Mutazione di virus esistenti
– I virus a RNA mutano molto rapidamente
– Trasmissione da una specia all’altra
– Circa tre quarti delle nuove malattie che colpiscono gli esseri umani siano nati in altri animali
– Diffusione a partire da una piccola popolazione isolata
143
144
145
1.21 La salute delle popolazioni umane è
minacciata dalla comparsa di nuovi virus
STEP BY STEP
Se contrai l’influenza in un dato anno, perché non risulti immune all’attacco dei virus influenzali degli anni successivi?
146
1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA
utilizzando l’RNA come stampo
L’AIDS è cusata dall’HIV un virus a RNA con alcune caratteristiche peculiari
L’HIV è un retrovirus
– Inverte il normale flusso di informazioni genetiche (dal DNA all’RNA) grazie all’azione della trascrittasi inversa
147
1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA
utilizzando l’RNA come stampo
Il ciclo riproduttivo dei retrovirus
1. La trascrittasi inversa usa l’RNA virale come stampo per sintetizzare un filamento di DNA
2. L’enzima aggiunge quindi un secondo filamento complementare di DNA
3. Il doppio filamento di DNA entra nel nucleo della cellula ospite e si integra con il DNA cromosomico, diventando un provirus
4. Occasionalmente il provirus viene trascritto per formare nuovi RNA virali
148
1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA
utilizzando l’RNA come stampo
5. Questi vengono tradotti nelle proteine virali
6. Le nuove particelle virali assemblate a partire da questi componenti fuoriescono dalla cellula e possono quindi infettarne altre
Trascrittasi inversa
RNA (due filamenti identici)
Rivestimento proteico
Glicoproteina
Involucro
149
DNA a doppio filamento
RNA virale e proteine
Filamento di DNA
RNA virale
NUCLEO
CITOPLASMA
DNA cromosomico
DNA del provirus
RNA
2
1
5
3
4
6
150
151
1.22 Il virus dell’AIDS sintetizza il DNA
utilizzando l’RNA come stampo
STEP BY STEP
Perché l’HIV è classificato tra i retrovirus?
152
1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi
nelle piante e negli animali
Alcuni agenti patogeni sono costituiti da una singola molecola proteica o di RNA
– Viroidi: piccole molecole circolari di RNA che infettano le piante
– Non codificano per alcuna proteina ma possono duplicarsi nelle cellule vegetali ospiti utilizzando gli enzimi cellulari
– Interferiscono con la crescita della pianta
– Prioni: proteine infettive che possano causare in varie specie animali gravi malattie degenerative del cervello
– Proteine presenti normalmente nelle cellule cerebrali, ma ripiegate in modo difettoso
– Convertono le molecole normali nella versione difettosa
153
1.23 Viroidi e prioni sono agenti patogeni diffusi
nelle piante e negli animali
STEP BY STEP
Che cosa rende i prioni diversi da tutti gli altri agenti infettivi conosciuti?
154
1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in
tre modi
Nei batteri, esistono tre meccanismi attraverso i quali i geni possono spostarsi da una cellula all’altra
– Trasformazione: è la captazione di DNA estraneo dall’ambiente circostante
– Trasduzione: è il trasferimento di geni batterici mediante un fago
– Coniugazione: il DNA della cellula donatrice passa nella cellula ricevente attraverso un ponte citoplasmatico
Quando nuovo DNA penetra in una cellula batterica, parte di esso può integrarsi nel suo genoma
Il DNA entra nella cellula
Cromosoma batterico (DNA)
Frammento di DNA
proveniente
da un’altra
cellula batterica
155
Fago
Frammento
di DNA proveniente
da un’altra
cellula batterica
(precedente cellula
ospite del fago)
156
Ponte citoplasmatico
Pili sessuali
Cellula donatrice
(“maschio”)
Cellula ricevente
(“femmina”)
157
DNA trasferito
Cromosoma
della cellula ricevente
Intersezioni
Cromosoma ricombinante
DNA demolito
158
159
1.24 I batteri possono ricombinare i propri geni in
tre modi
STEP BY STEP
Quale meccanismo di trasferimento dei geni da un batterio all’altro somiglia al crossing over tra cromosomi di una cellula eucariote? Perché?
160
1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati
per trasferire i geni
La capacità di una cellula donatrice di E. coli di compiere la coniugazione è dovuta a un segmento specifico di DNA, chiamato fattore F
– Quando è integrato nel cromosoma, permette il trasferimento di geni dal batterio donatore al ricevente durante la coniugazione
– Quando è presente sotto forma di plasmide durante la coniugazione viene duplicato completamente e trasferito dalla cellula donatore alla cellula ricevente
161
1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati
per trasferire i geni
Il plasmide è una piccola molecola circolare di DNA separata dal cromosoma batterico
– Include un punto di origine della duplicazione, in grado di innescare la propria duplicazione nella cellula
– I plasmidi R (cioè “resistenti”) contengono geni che rendono i batteri che li contengono resistenti all’azione di antibiotici
Cellula “maschile” (donatore)
Origine della duplicazione di F
Cromosoma batterico
Il fattore F avvia
la duplicazione
e il trasferimento del DNA
Fattore F (integrato)
Cellula ricevente
Soltanto una parte
del cromosoma
viene trasferita
Può avvenire
la ricombinazione
162
Cellula “maschile” (donatore)
Cromosoma batterico
Il fattore F avvia
la duplicazione
e il trasferimento
Fattore F (plasmide)
Il plasmide completa
il trasferimento e assume
di nuovo la forma circolare
La cellula è ora diventata “maschile”
163
Plasmidi Cromosoma
164
165
1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati
per trasferire i geni
STEP BY STEP
Quale problema causano, in medicina, i plasmidi R?