La biologia molecolare del gene

Unità 1
La biologia molecolare del gene
Unità 1
La biologia molecolare del gene
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
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?
3
Lezione 1
LA STRUTTURA
DEL MATERIALE GENETICO
4
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
5
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
–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
6
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
–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”
7
8
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
9
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
–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
10
Proteine
radioattive
Fago
Batterio
Involucro
proteico vuoto
Radioattività
nel liquido
Fago
DNA
DNA
Ceppo 1
Proteine
radioattive
Centrifuga
Precipitato
1 I fagi radioattivi vengono
mescolati con i batteri;
i fagi infettano le cellule
batteriche
2 I fagi che si trovano
all’esterno dei batteri
vengono separati dalle
cellule e dal loro contenuto
usando un frullatore
3 La miscela viene
centrifugata; i batteri
formano un precipitato
sul fondo della provetta
4 Si misura la radioattività
nel precipitato e nel liquido
sovrastante
DNA radioattivo
Ceppo c2
DNA
radioattivo
Centrifuga
Radioattività
Precipitato nel precipitato
11
Fago
Proteine
radioattive
Batterio
Involucro
proteico vuoto
Fago
DNA
DNA
Ceppo 1
Proteine
radioattive
1 I fagi radioattivi vengono 2 I fagi che si trovano
mescolati con i batteri;
i fagi infettano le cellule
batteriche
all’esterno dei batteri
vengono separati dalle
cellule e dal loro contenuto
usando un frullatore
DNA radioattivo
Ceppo 2
DNA
radioattivo
12
Involucro
proteico vuoto
Radioattività
nel liquido
Fago
DNA
Centrifuga
Precipitato
3 La miscela viene
centrifugata; i batteri
formano un precipitato
sul fondo della provetta
4 Si misura la radioattività
nel precipitato e nel liquido
sovrastante
Centrifuga
Radioattività
Precipitato nel precipitato
13
1.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato
che il DNA è il materiale depositario
dell’informazione genetica
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?
14
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
15
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
16
1.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi
 Le differenze tra RNA e DNA
– DNA: desossiribosio, RNA: ribosio
– DNA: timina, RNA: uracile
17
Scheletro zucchero-fosfato
Gruppo fosfato
Base azotata
Zucchero
Nbase azotata
(A, G, C, o T)
Nucleotide di DNA
Gruppo
fosfato
Timina (T)
Zucchero
(desossiribosio)
Nucleotide di DNA
Polinucleotide di DNA
18
Base azotata
(A, G, C, o T)
Gruppo
fosfato
Timina (T)
Zucchero
(desossiribosio)
19
Timina(T)
Citosina (C)
Pirimidine
Adenina (A)
Guanina (G)
Purine
20
Base azotata
(A, G, C, o U)
Gruppo
fosfato
Uracile (U)
Zucchero
(ribosio)
21
Uracile
Adenina
Guanina
Citosina
Fosfato
Ribosio
22
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?
23
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
24
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
25
26
27
Avvolgimento
28
29
Coppia
di basi appaiate
Modello a nastro
30
Legame idrogeno
Particolare della struttura chimica
31
Modello computerizzato
32
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?
33
Lezione 2
LA DUPLICAZIONE DEL DNA
34
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
35
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
36
37
Molecola
originaria
di DNA
38
Nucleotidi
Molecola
originaria
di DNA
I due filameni originari
agiscono da stampo
39
Nucleotidi
Molecola
originaria
di DNA
I due filameni originari
agiscono da stampo
Due molecole figlie
di DNA identiche
40
1.4 La duplicazione del DNA dipende dallo
specifico appaiamento delle basi azotate
STEP BY STEP
In che modo l’appaiamento complementare delle
basi rende possibile la duplicazione del DNA?
41
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
42
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
43
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
44
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’
45
Origine della duplicazione
Filamento originario
Filamento di nuova sintesi
Bolla
Due molecole figlie di DNA
46
47
1.5 La duplicazione del DNA ha inizio
simultaneamente in molti punti e procede
grazie alla DNA polimerasi
STEP BY STEP
Quali sono le caratteristiche della DNA polimerasi?
48
Lezione 3
IL PASSAGGIO
DELL’INFORMAZIONE
GENETICA DAL DNA ALL’RNA
ALLE PROTEINE
49
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
50
51
52
53
54
55
56
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?
57
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
58
59
1.7 Gli errori di duplicazione vengono corretti
grazie alla DNA polimerasi e ad altri
meccanismi di riparazione
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?
60
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
61
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
62
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?
63
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
64
DNA
Nucleo
Citoplasma
65
DNA
Trascrizione
RNA
Nucleo
Citoplasma
66
DNA
Trascrizione
RNA
Nucleo
Ctoplasma
Traduzione
Proteina
67
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”
68
69
1.9 L’informazione genetica codificata
nel DNA viene tradotta nella sequenza
delle proteine
STEP BY STEP
A che cosa servono la trascrizione e la traduzione?
70
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”
71
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
72
Molecola di DNA
Gene 1
Gene 2
Gene 3
Filamento
di DNA
Trascrizione
RNA
Codone
Traduzione
Polipeptide
Amminoacido
73
Filamento
di DNA
Trascrizione
RNA
Codone
Traduzione
Polipeptide
Amminoacido
74
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?
75
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
76
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
77
Terza base azotata
Prima base azotata
Seconda base azotata
78
Filamento da trascrivere
DNA
79
Filamento da trascrivere
DNA
Trascrizione
RNA
Codone
di inizio
Codone
di stop
80
Filamento da trascrivere
DNA
Trascrizione
RNA
Codone
di inizio
Polipeptide
Met
Codone
di stop
Traduzione
Lys
Phe
81
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?
82
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
83
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
84
Nucleotidi di RNA
RNA
polimerasi
Direzione della
trascrizione
Filamento stampo
di DNA
RNA di nuova sintesi
85
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
86
2 Allungamento
La polimerasi si muove verso valle, svolgendo la
molecola di DNA e allungando il trascritto di RNA in
direzione 5’  3’
87
2 Allungamento
Sulla scia della trascrizione, i filamenti di DNA
riformano la doppia elica
88
3 Terminazione
Alla fine, il trascritto di RNA viene liberato e la
polimerasi si stacca dal DNA
89
90
1.12 La trascrizione produce messaggi genetici
sotto forma di RNA
STEP BY STEP
Che cos’è un promotore?
Qual è la sua funzione?
91
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
92
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
93
Esone Introne Esone
Introne Esone
DNA
Cap
Trascritto
di RNA con
cappuccio e coda
Trascrizione, aggiunta
del cappuccio e della coda
Rimozione degli introni Coda
Splicing degli esoni
mRNA
Sequenza codificante
Nucleo
Citoplasma
94
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?
95
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
96
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
97
Sito di legame per l’amminoacido
Legame idrogeno
Catena polinucleotidica
di RNA
Anticodone
98
99
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?
100
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
101
Molecole
di tRNA
Polipeptide
in formazione
Subunità
maggiore
mRNA
Subunità
minore
102
Siti di legame per il tRNA
Subunità
maggiore
Sito
di legame
per l’mRNA
Subunità
minore
103
Amminoacido
seguente da
aggiungere
al polipeptide
Polipeptide
in formazione
tRNA
mRNA
Codoni
104
1.15 I ribosomi assemblano i polipeptidi
STEP BY STEP
Qual è il compito del ribosoma durante la sintesi
proteica?
105
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
106
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
107
Inizio del messaggio genetico
Fine
108
Subunità
maggiore
del ribosoma
tRNA
di partenza
Sito P
1
mRNA
Codone
di inizio
Subunità minore
del ribosoma
Sito A
2
109
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?
110
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
111
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
112
Amminoacido
Polipeptide
A site
Sito P
Anticodone
mRNA
Codoni
1 Riconoscimento
del codone
113
Amminoacido
Polipeptide
A site
Sito P
Anticodone
mRNA
Codoni
1 Riconoscimento
del codone
2 Formazione del
legame peptidico
114
Amminoacido
Polipeptide
A site
Sito P
Anticodone
mRNA
Codoni
1 Riconoscimento
del codone
2 Formazione del
legame peptidico
Nuovo
legame
peptidico
3 Traslocazione
115
Amminoacido
Polipeptide
A site
Sito P
Anticodone
mRNA
Codoni
1 Riconoscimento
del codone
Spostamento
dell’mRNA
Codone
di arresto
2 Formazione del
legame peptidico
Nuovo
legame
peptidico
3 Traslocazione
116
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
117
1.17 Nella fase di allungamento la catena
polipeptidica si accresce finché il codone di
arresto termina la traduzione
STEP BY STEP
Che cosa accade al tRNA nel sito A e nel sito P del
ribosoma durante la fase di allungamento?
118
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
119
Trascrizione
DNA
1 L’mRNA è trascritto
mRNA
a partire da un DNA
stampo
RNA
polimerasi
Traduzione
Amminoacido
2 Ogni amminoacido
si lega al rispettivo
tRNA grazie all’aiuto
di uno specifico
enzima e dell’ATP
Enzima
ATP
tRNA
Anticodone
Subunità
maggiore
del ribosoma
tRNA
di partenza
Codone di inizio
mRNA
3 Inizio della sintesi
polipeptidica
L’mRNA, il primo tRNA
e le subunità
ribosomiali si uniscono
Subunità
minore
del ribosoma
Si forma un nuovo
legame peptidico
Polipeptide
in formazione
4 Allungamento
Codoni
mRNA
Molecole di tRNA
aggiungono
in successione
gli amminoacidi
alla catena polipeptidica
mentre l’mRNA si
sposta lungo il ribosoma,
un codone alla volta
Polipeptide
5 Terminazione
Codone di arresto
Il ribosoma riconosce
un codone di arresto;
il polipeptide è terminato
e viene liberato
120
Trascrizione
DNA
1 L’mRNA è trascritto
mRNA
a partire da un DNA
stampo
RNA
polimerasi
Amminoacido
Traduzione
2 Ogni amminoacido
si lega al rispettivo
tRNA grazie all’aiuto
di uno specifico enzima
e dell’ATP
Enzima
ATP
tRNA
Anticodone
tRNA
di partenza
Codone di inizio
mRNA
Subunità
maggiore
del ribosoma
3 Inizio della sintesi
polipeptidica
L’mRNA, il primo tRNA
e le subunità
ribosomiali si uniscono
Subunità
minore
del ribosoma
121
Si forma un nuovo
legame peptidico
Polipeptide
in formazione
Codoni
mRNA
4 Allungamento
Molecole di tRNA
aggiungono
in successione
gli amminoacidi
alla catena polipeptidica
mentre l’mRNA si sposta
lungo il ribosoma,
un codone alla volta
Polipeptide
Codone di arresto
5 Terminazione
Il ribosoma riconosce
un codone di arresto;
il polipeptide è terminato
e viene liberato
122
1.18 In sintesi: il flusso dell’informazione genetica
procede dal DNA all’RNA e dall’RNA
alle proteine
STEP BY STEP
Quale tra le molecole e le strutture elencate sotto
non partecipa direttamente alla traduzione?
ribosomi tRNA • mRNA • DNA • ATP • enzimi
123
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
124
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
125
DNA dell’emoglobulina normale
mRNA
DNA dell’emoglobulina mutante
mRNA
Emoglobulina normale
Emoglobulina dell’anemia falciforme
Glu
Val
126
Gene normale
mRNA
Proteina
Met
Lys
Phe
Gly
Ala
Ser
Ala
Sostituzione di una base
Met
Lys
Phe
Delezione di una base
Met
Lys
Base mancante
Leu
Ala
His
127
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?
128
Lezione 4
LA GENETICA DEI VIRUS
E DEI BATTERI
129
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
130
Fago
1
Si ancora
alla cellula
Cromosoma
batterico
DNA del fago
La cellula scoppia
liberando i fagi
Il fago inietta il proprio DNA
2
4
Ciclo litico
Assemblaggio dei fagi
Il DNA del fago assume
una forma circolare
3
Vangono sintetizzati il DNA
e le proteine dei fagi
131
Fago
1
Si ancora
alla cellula
Cromosoma
batterico
DNA del fago
La cellula scoppia
liberando i fagi
Il fago inietta il proprio DNA
7
2
Molte divisioni
cellulari
4
Ciclo litico
Assemblaggio dei fagi
Ciclo lisogeno
Il DNA del fago assume
una forma circolare
3
Vangono sintetizzati il DNA
e le proteine dei fagi
5
Profago
Il batterio lisogeno si riproduce
normalmente, duplicando il
profago a ogni divisione
6
Il DNA del fago si integra
con il cromosoma batterico
132
Fago
1
Si ancora
alla cellula
Cromosoma
batterico
Dna del fago
Assemblaggio
dei fagi
Il fago inietta il proprio DNA
2
4
Ciclo litico
Assemblaggio dei fagi
Il DNA del fago assume
una forma circolare
3
Vengono sintetizzati il
DNA e le proteine del fago
133
Fago
1
Si ancora
alla cellula
Cromosoma
batterico
DNA del fago
Il fago inietta il proprio DNA
7
2
Molte divisioni
cellulari
Ciclo lisogenico
Il DNA del fago assume
una forma circolare
5
Profago
Il batterio lisogeno si riproduce
normalmente, duplicando il
profago a ogni divisione
6
Il DNA del fago si integra
con il cromosoma batterico
134
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?
135
Un’armata invisibile
COLLEGAMENTO salute
 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
136
Un’armata invisibile
COLLEGAMENTO salute
 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
137
Un’armata invisibile
COLLEGAMENTO salute
 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
138
Estroflessione glicoproteica
Rivestimento proteico
Involucro
membranoso
VIRUS
RNA virale
(genoma)
Membrana plasmatica
della cellula ospite
1
Ingresso
2
Rimozione del rivestimento
3
Sintesi di RNA veicolata
da un enzima virale
RNA virale
(genoma)
4
Sintesi
proteica
mRNA
Nuove
proteine virali
Sintesi
di RNA
Filamento
stampo
Nuovo
genoma virale
Assemblaggio
5
6
Uscita
7
139
Estroflessione glicoproteica
Rivestimento proteico
Involucro membranoso
VIRUS
RNA virale
(genoma)
Membrana plasmatica
della cellula ospite
1
Ingresso
2
Rimozione
del rivestimento
3
Sintesi di RNA veicolata
da un enzima virale
RNA virale
(genoma)
140
5 Sintesi di RNA
4 sintesi
proteica
Filamento
stampo
mRNA
Nuove
proteine virali
6
Nnuovo
genoma virale
Assemblaggio
Uscita
7
141
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
142
143
144
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?
145
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
146
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
147
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
148
Involucro
Glicoproteina
Rivestimento
proteico
RNA
(due filamenti
identici)
Trascrittasi
inversa
149
RNA virale
CITOPLASMA
1
Filamento
di DNA
2
DNA a doppio
filamento
3
NUCLEO
DNA
cromosomico
DNA del
provirus
4
5
RNA
virale e
proteine
RNA
6
150
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?
151
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
152
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?
153
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
154
Il DNA entra nella cellula
Frammento di DNA
proveniente
da un’altra
cellula batterica
Cromosoma batterico
(DNA)
155
Fago
Frammento
di DNA proveniente
da un’altra
cellula batterica
(precedente cellula
ospite del fago)
156
Ponte citoplasmatico
Pili sessuali
Cellula donatrice Cellula ricevente
(“maschio”)
(“femmina”)
157
DNA trasferito
Cromosoma
della cellula ricevente
Intersezioni
DNA demolito
Cromosoma
ricombinante
158
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?
159
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
160
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
161
Fattore F
(integrato)
Cellula “maschile”
(donatore)
Origine della
duplicazione di F
Cromosoma
batterico
Il fattore F avvia
la duplicazione
e il trasferimento del DNA
Cellula
ricevente
Soltanto una parte
del cromosoma
viene trasferita
Può avvenire
la ricombinazione
162
Fattore F (plasmide)
Cellula “maschile”
(donatore)
Cromosoma
batterico
Il fattore F avvia
la duplicazione
e il trasferimento
Il plasmide completa
il trasferimento e assume
di nuovo la forma circolare
La cellula è ora
diventata “maschile”
163
Cromosoma
Plasmidi
164
1.25 I plasmidi batterici possono essere impiegati
per trasferire i geni
STEP BY STEP
Quale problema causano, in medicina, i plasmidi R?
165