Genitica 2b

Riprendiamo ora il cosiddetto dogma centrale della
biologia: dal gene alla proteina
trascrizione
traduzione
L’mRNA lascia il nucleo e si posiziona sugli organelli chiamati ribosomi,
contenenti rRNA
Trascrizione del DNA nell’mRNA
Scorrendo sui ribosomi l’mRNA fa da stampo ai tRNA che trasportano gli
aminoacidi, i quali legandosi tra di loro danno origine alle proteine
Prima fase: il tratto di DNA che costituisce il gene viene trascritto (fa da
stampo) in un acido nucleico a singolo filamento, complementare al
DNA: l’mRNA
(ci sono nella cellula 3 diversi RNA, che differiscono dal DNA per il
ribosio anziché il deossiribosio nello scheletro e con l’Uracile quale base
azotata anziché la Timina).
L’mRNA trasferisce l’informazione genetica contenuta nel DNA dal
nucleo al citoplasma della cellula, dove avviene la sintesi delle proteine.
Seconda fase: l’informazione
contenuta nell’mRNA viene tradotta
in proteina nel citoplasma della
cellula
rRNA: ribosomiale. Forma i ribosomi,
organelli del citoplasma della cellula, sui
quali scorre l’RNA messaggero per
consentirne la “lettura” e dare luogo alla
sintesi delle proteine.
In rosso: mRNA
In viola: ribosomi
In verde: proteine in formazione e una già terminata
tRNA: transfer. E’ il terzo RNA. Ci sono diversi tRNA : ciascuno lega uno
specifico aminoacido e ha una specifica serie di 3 basi azotate
complementari a tre basi azotate dell’mRNA. Il susseguirsi dei tRNA specifici
lungo il filamento di mRNA permette di legare tra di loro gli amminoacidi,
formando così una proteina specifica in funzione della sequenza di basi che
formano l’RNA messaggero (a sua volta complementare al DNA trascritto).
Come viene letto il DNA per far si che ad ogni gene corrisponda una e una sola
proteina specifica? Viene letto in sequenze di tre basi azotate chiamate triplette: ad
ogni tripletta del DNA corrisponde un aminoacido specifico.
Le triplette dell’mRNA (complementari a quelle del DNA) prendono il nome di codoni
e vengono “lette” dalle triplette portate dai tRNA, chiamate anticodoni
Ad ogni codone, formato da 3 basi dell’mRNA complementari alle triplette del DNA,
corrisponde un aminoacido specifico portato dal tRNA con tripletta (anticodone)
complementare al codone
Il Codice Genetico:
le 4 basi azotate del DNA (Adenina, Timina, Guanina, Citosina) combinate in gruppi di
3 danno 64 combinazioni, quindi sufficienti per selezionare 20 aminoacidi.
Più triplette possono essere specifiche per lo stesso amminoacido (codice “degenerato”), altre
sono “non senso” e fermano la sintesi delle proteine (triplette STOP). Qui sotto sono riportate
le triplette dell’mRNA, chiamate codoni, complementari a quelle del DNA. Al posto della Timina
l’RNA ha l’Uracile U
i 20 aminoacidi (o
amminoacidi) e le proteine
Cerchiati di
verde: gli 8
aminoacidi che
nell’uomo
non vengono
sintetizzati ,
quindi devono
essere introdotti
con il cibo
Sintesi delle proteine
Aminoacido singolo
2 aminoacidi legati
Proteina con più aminoacidi
Una volta sintetizzate le proteine prendono una loro forma spaziale in
funzione degli amminoacidi che le formano
Struttura secondaria: forma dovuta a legami
deboli tra gli aminoacidi della struttura
primaria della proteina
= la sequenza di
aminoacidi della proteina
Struttura terziaria: data dai legami tra gli
atomi di zolfo (ponti disolfuro) contenuti in
2 dei 20 aminoacidi. Nella “permanente” i
ponti disolfuro vengono aperti, i capelli
rimodellati nella forma voluta e quindi si
ricreano i ponti disolfuro in nuova posizione,
tenendo così i capelli permanentemente
nella nuova forma
Struttura quaternaria:
data da più catene
proteiche associate (es.
l’emoglobina, formata da
4 catene proteiche, uguali
a due a due, chiamate
catene α e catene β).
In sintesi: ogni gene nel DNA viene trascritto in uno specifico mRNA
che migra nel citoplasma e a livello dei ribosomi, costituiti da rRNA,
viene tradotto dai tRNA in proteina (ogni 3 basi = 1 aminoacido
specifico)
Regolazione dell’espressione genica nei batteri
Scoperta da Jacob & Monod, 1961
In presenza di lattosio i batteri
sintetizzano enzimi che ne
permettono l’utilizzo per il proprio
metabolismo, tra cui l’enzima che
lo scinde negli zuccheri semplici, il
glucosio e il galattosio,
In assenza di lattosio gli
enzimi non servono,
infatti non vengono
sintetizzati.
Come vengono
silenziati i geni che
codificano per tali
enzimi e come vengono
attivati in presenza di
lattosio?
Regolazione dell’espressione genica nei batteri
Quando presente, il lattosio si
lega a un repressore,
impedendogli di legarsi al DNA.
Permette così l’espressione dei
geni deputati alla sintesi degli
enzimi che metabolizzano il
lattosio.
L’assenza di lattosio consente
al repressore, ora libero, di
legarsi al DNA e di inibire i geni
responsabili della sintesi degli
enzimi, non più necessari se
manca il lattosio da
metabolizzare.
Espressione genica. Controllo da feedback (retroazione) negativo e positivo: la
presenza del composto inibisce l’espressione genica (es. qui sotto) oppure l’attiva (es. il
metabolismo del lattosio nella slide precedente)
Feedback negativo: esempio la sintesi
dell’aminoacido triptofano (uno dei 20 aminoacidi
indispensabili per la formazione delle proteine) nei
batteri.
Quando il triptofano è presente nella cellula si
unisce a un repressore che così attivato si lega al
DNA ed inibisce l’espressione dei geni per la sintesi
dell’aminoacido. Quando manca il triptofano, il
repressore non più legato all’aminoacido diventa
inattivo, non si lega al DNA e quindi non può più
inibire l’espressione genica, permettendo ai geni di
trascrivere le informazioni per la produzione degli
enzimi che sintetizzano il triptofano.
E’ l’opposto del feedback positivo del lattosio, dove
la presenza del lattosio attiva l’espressione genica di
enzimi mentre la sua assenza la inibisce.
Feedback ormonale
Gli ormoni possono agire direttamente
sul DNA (es. ormone della tiroide),
oppure si legano a recettori presenti
nel citoplasma per poi legarsi al DNA
(es. ormoni steroidei) o a recettori
presenti sulla membrana cellulare che
danno origine ad una serie di eventi
chimico-fisici nella cellula. (es.
insulina).
Data la loro importanza
nell’organismo, la sintesi degli ormoni
è regolata da complessi meccanismi di
feedback.
Un ormone è un messaggero chimico che trasmette segnali da un gruppo di cellule
(ghiandole) a un altro gruppo di cellule. Viene prodotto con il compito di modulare
il metabolismo e/o l'attività di tessuti e organi dell'organismo.
Esempio di feedback ormonale:
la tiroxina, l’ormone della tiroide
Se la concentrazione di tiroxina nel sangue scende sotto il livello ottimale, l’ipofisi (ghiandola
endocrina situata alla base della scatola cranica) produce l’ormone tireostimolante che stimola
la tiroide a produrre tiroxina. All’opposto, se la concentrazione di Tiroxina è troppo elevata,
viene inibita la produzione di ormone tireostimolante da parte dell’ipofisi e conseguentemente
la tiroide cessa la produzione di tiroxina
Feedback positivo e negativo da metabolita: il glucosio (zucchero)
La presenza di elevati livelli di glucosio nel sangue (iperglicemia) stimola la produzione di insulina che agisce
facendo entrare il glucosio nelle cellule, quindi togliendolo dal sangue. La presenza di livelli bassi di glucosio
nel sangue (ipoglicemia) stimola la produzione di glucagone che fa riversare nel sangue il glucosio
contenuto nelle cellule epatiche (iqui mmagazzinato sotto forma di glicogeno)
Insulina: ormone che
permette l’entrata del
glucosio nelle cellule (e
quindi lo toglie dal sangue)
Glucagone: ormone che
rilascia il glucosio nel
sangue (opposto all’insulina)
Glicogeno: formato da
catene di glucosio, è la
riserva di energia
dell’organismo.
All’occorrenza rilascia
molecole di glucosio Viene
stivato soprattutto nel
fegato (è l’equivalente
dell’amido nei vegetali).
Isole di Langerhans nel
pancreas: producono
insulina (cellule beta) e
glucagone (cellule alfa)
Modo d’azione dell’insulina: l’ormone viene prodotto dal pancreas e trasportato dal sangue
verso le cellule bersaglio (principalmente muscoli e fegato). Qui l’insulina si lega a recettori
specifici presenti sulla membrana cellulare. Il complesso ormone-recettore avvia una serie di
eventi che porta all’apertura di canali nella membrana cellulare che permettono l’ingresso
del glucosio nella cellula e quindi il suo metabolismo immediato per produrre energia
oppure l’immagazzinamento sotto forma di glicogeno e la trasformazione in grassi ,se la
produzione di glicogeno è già ottimale.
Nel diabete di tipo 1 (insulina
dipendente) viene a mancare la
produzione di insulina, quindi questa può
e deve essere somministrata ai pazienti.
Nel diabete di tipo 2 (insulina indipendente) non manca l’insulina nel sangue ma sono i recettori
cellulari che diminuiscono la loro capacità di legarsi all’insulina, diventano meno sensibili alla
sua presenza, quindi viene ad attenuarsi il processo che porta all’ingresso del glucosio nella
cellula. Il paradosso è che, percependo una bassa concentrazione di insulina nonostante la sua
presenza, si avvia un meccanismo di feedback che stimola il pancreas a produrre ulteriore
insulina, aumentando ancor di più e inutilmente la concentrazione dell’ormone nel sangue.
Nuovo capitolo: BATTERI e VIRUS
I batteri sono organismi procarioti, cioè le loro cellule non hanno un
nucleo in cui è contenuto il DNA, a differenza degli organismi superiori,
chiamati eucarioti. Il DNA batterico è costituito da un’unica grande
molecola circolare dispersa nel citoplasma cellulare.
Inoltre I batteri contengono delle piccole
molecole circolari di DNA chiamate plasmidi. Tali
plasmidi sono molto importanti sia per lo
scambio di materiale genetico tra batteri (es. i
geni per la resistenza agli antibiotici) che per il
loro utilizzo nell’inserimento di geni negli OGM.
Questi argomenti verranno ripresi nella lezione 4
VIRUS: costituiti da acidi nucleici (DNA o RNA) rivestiti
da un involucro costituito principalmente da proteine
(sono queste molecole di rivestimento che generano la produzione di
anticorpi negli organismi infettati. Vengono inoltre utilizzate nelle
vaccinazioni, senza dover iniettare virus integri).
Struttura generalizzata
di un virus
I virus sono parassiti obbligati delle cellule di esseri viventi:
utilizzano gli enzimi e gli organelli della cellula per riprodursi,
portando alla morte (lisi) le cellule infettate
Struttura di un
batteriofago, cioè di un
virus che infetta i batteri
Struttura complessa del
virus Mosaico del Tabacco
che infetta alcune piante
Ciclo virale
Non sempre i virus portano le cellule ad una morte veloce. Possono anche integrarsi nel DNA
dell’ospite trasformando le cellule da normali a cancerogene oppure possono persistere nella
cellula manifestandosi solo in tempi successivi (esempio Herpes labiale)
L’acido nucleico dei virus, contenente l’informazione genetica per la loro replicazione,
può essere il DNA o l’RNA, diversamente dai batteri e dagli organismi superiori in cui il
genoma è costituito solo da DNA.
Herpes simplex HSV (virus a DNA)
Il virus dell’Herpes simplex
(labiale) infetta le cellule epiteliali
nell’infezione primaria (la prima
infezione del virus in un
individuo). I virus così prodotti
penetrano nei neuroni e vanno a
installarsi nei gangli facciali del
nervo trigemino, dando luogo a
una infezione latente che non si
manifesta finché un fattore di
stress (raggi UV, raffreddore,
stress fisici) non causano una
migrazione del virus dai neuroni
alle cellule della cute facciale,
soprattutto delle mucose labiali,
dove si replicano distruggendo le
cellule infettate. Il ciclo si potrà
ripetere per l’intera vita
dell’individuo portatore del virus.
Virus dell’influenza: a
RNA semplice
Una volta penetrato nelle cellule
il virus si replica: il suo RNA
contiene l’informazione genetica
sia per la produzione delle
molecole di rivestimento del
virus che per la sintesi di nuovo
RNA. Il rivestimento e l’RNA si
assemblano a formare nuovi
virus che lisano la cellula
infettata e vanno ad infettare
nuove cellule.
Trascrizione inversa di alcuni virus a RNA: rompe il dogma centrale della
biologia. Questi virus sintetizzano DNA a partire dal loro RNA,
consentendo così l’integrazione del loro patrimonio genetico all’interno
del patrimonio genetico dell’individuo infettato
Trascrizione inversa:
sintesi di DNA a partire dall’RNA
Virus HIV (virus
dell’immunodeficienza umana,
causa dell’AIDS): a RNA con
trascrizione inversa.
Una volta penetrato nelle cellule
bersaglio, i linfociti T, sintetizza il DNA
complementare al proprio RNA e
quindi si integra nel DNA della cellula
ospite, così mimetizzandosi e
disattivando la funzione dei linfociti nel
funzionamento del sistema
immunitario.
Periodicamente il DNA del virus viene
trascritto in copie di RNA che dirigono
la sintesi delle molecole di
rivestimento, generando nuovi virus.
Ricombinanti virali (nell’esempio virus a RNA)
L’infezione contemporanea di più virus dello stesso nella stessa cellula può originare la ricombinazione degli
RNA dei diversi virus (ogni nuovo virus porterà un RNA derivato dallo scambio di materiale genetico da più
virus parentali), creando così una nuova variabilità non solo nell’RNA ma anche nelle molecole di
rivestimento sintetizzate dal nuovoRNA. Queste molecole di rivestimento sono quelle che determinano la
produzione di anticorpi specifici nell’individuo infettato. Nel virus dell’influenza le ricombinazioni, che
avvengono nei serbatoi animali del virus quali uccelli e maiali, generano continuamente nuovi ceppi virali
con nuove molecole di rivestimento che necessitano, per la vaccinazione, di un nuovo vaccino ogni anno.
Virus non ricombinanti
Virus ricombinanti tramite
inserzione nel DNA e la
susseguente produzione di RNA
con scambio di materiale
genetico parentale
Virus ricombinanti tramite
l’inserimento nei nuovi
virus di segmenti di RNA
provenienti da più virus
parentali