Capitolo 10 La biologia molecolare del gene Copyright © 2006 Zanichelli editore La struttura del materiale genetico 10.1 Alcuni esperimenti hanno dimostrato che il materiale genetico è formato da DNA Nel 1952 gli esperimenti dei biologi Alfred Hershey e Martha Chase dimostrarono che alcuni virus sono in grado di riprogrammare le cellule ospiti per produrre nuovi virus, iniettando il proprio DNA dentro le cellule. Testa DNA Coda Fibre della coda Figura 10.1A Copyright © 2006 Zanichelli editore L’esperimento di Hershey e Chase: Fago Proteina radioattiva Batterio Involucri proteici vuoti Radioattività nel liquido DNA del fago DNA Ceppo 1 Proteina radioattiva Si centrifuga Precipitato 1 Si mescolano i fagi marcati radioattivamente con i batteri. I fagi infettano le cellule batteriche. 2 Si utilizza un frullatore 3 Si centrifuga la miscela. per separare i fagi esterni ai batteri dalle cellule batteriche e dal loro contenuto. 4 Si misura la radioattività nel precipitato e nel liquido. DNA radioattivo Ceppo 2 DNA radioattivo Si centrifuga Precipitato Figura 10.1B Copyright © 2006 Zanichelli editore Radioattività nel precipitato Il ciclo riproduttivo di un fago: Il fago si attacca alla cellula batterica. Il fago inietta il DNA. Il DNA induce la cellula ospite a produrre altro DNA fagico e proteine. Si riproducono nuovi fagi. La cellula si rompe (lisi) e libera nuovi fagi. Figura 10.1C Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.2 DNA e RNA sono polimeri di nucleotidi Il DNA è un acido nucleico costituito da lunghe catene di nucleotidi. Scheletro zucchero-fosfato A C Gruppo fosfato Base azotata Zucchero Nucleotide del DNA A C Base azotata (A, G, C, o T) Gruppo fosfato O H3C C O T T O P O G T CH HC H C CH H Zucchero (deossiribosio) Nucleotide del DNA Figura 10.2A Copyright © 2006 Zanichelli editore Polinucleotide del DNA H Timina (T) O O T N CH2 H C N C O O– G C Il DNA ha quattro tipi di basi azotate: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G) H O H3C H C C C H H N C H N C N C C C N H O N H H Timina (T) Citosina (C) Pirimidine Figura 10.2B Copyright © 2006 Zanichelli editore H N H O N H O C C N C C N H C N N H N C C N H Adenina (A) Guanina (G) Purine H C N H C C N H H Anche l’RNA è un acido nucleico ma è composto da uno zucchero leggermente differente (il ribosio) e una base azotata chiamata uracile (U) al posto della timina. Base azotata (A, G, C, o U) O Gruppo fosfato H C N C H O Ossigeno C O P Legenda Idrogeno Carbonio Azoto O O C H H C H C C H O Copyright © 2006 Zanichelli editore C N O Uracile (U) O– Figure 10.2C, D H CH2 OH Zucchero (ribosio) Fosforo 10.3 DNA ha la forma di un’elica a doppio filamento Nel 1953 James Watson e Francis Crick determinarono la struttura tridimensionale del DNA, basandosi anche sul lavoro di Rosalind Franklin. Figure 10.3A, B Copyright © 2006 Zanichelli editore • La struttura del DNA consiste di due filamenti di polinucleotidi attorcigliati l’uno sull’altro in una doppia elica. • Si può immaginare questa struttura come una scala di corda dotata di rigidi pioli in legno e arrotolata in spire. Figura 10.3C Copyright © 2006 Zanichelli editore Torsione • I legami idrogeno tra le basi tengono uniti i filamenti. • Ogni base è appaiata con una base complementare: A con T, e G con C G C T A A Coppie di basi appaiate C T C G C G A T O O P –O O H2C O O P –O O H2C G T O OH P O O H2C –O A T O O –O P O H2C A A T A Legame idrogeno OH O O O A T CH2 O O– O P O O CH2 O O– P O O O CH2 O O– P HO O G C A T C T Modello a nastro Copyright © 2006 Zanichelli editore O T G Figura 10.3D CH2 O O– P O O C G OH A O Struttura chimica Modello computerizzato La duplicazione del DNA 10.4 La duplicazione del DNA dipende dall’accoppiamento di specifiche basi azotate • La duplicazione del DNA comincia con i due filamenti del DNA di partenza che si separano. • Ogni filamento funziona da stampo per formare un filamento complementare. I nucleotidi si allineano lungo il filamento stampo. • Gli enzimi legano tra loro i nucleotidi per formare un nuovo filamento. A T T T A A T A T A Figura 10.4A Copyright © 2006 Zanichelli editore C G C G C G A T A T A T Molecola originaria del DNA. G C C A Nucleotidi G C G C G C G C G C T A T A T A T A T A Entrambi i filamenti originari si comportano da stampo. Due nuove molecole di DNA identiche. La duplicazione del DNA è un processo complesso. Parte della complessità nasce dal fatto che, quando si duplica, la molecola elicoidale di DNA deve srotolarsi. G C A T G C C G A T T C A A G T C G C C T A T A A Figura 10.4B Copyright © 2006 Zanichelli editore G T T C G C A A T A C G C G T A G G C G T T A T A T A 10.5 I particolari della duplicazione del DNA La duplicazione del DNA inizia presso specifici punti di origine della duplicazione sulla doppia elica. Punto di origine della duplicazione Filamento originario Filamento di nuova sintesi Bolla di duplicazione Due molecole figlie di DNA Figura 10.5A Copyright © 2006 Zanichelli editore Ogni filamento di una doppia elica ha un orientamento opposto all’altro. Estremità 5 Estremità 3 P HO 5 4 3 2 2 1 A T 1 5 P P C G P P G C P P T OH Figura 10.5B Copyright © 2006 Zanichelli editore Estremità 3 3 4 A P Estremità 5 • La cellula sintetizza un filamento nuovo in maniera continua usando l’enzima DNA-polimerasi. • L’altro filamento è sintetizzato in brevi segmenti consecutivi che sono poi uniti in un unico filamento Molecola di DNA-polimerasi dall’enzima DNA-ligasi. 3 5 3 DNA originario 5 Filamento sintetizzato senza interruzioni 3 5 5 3 DNA-ligasi Figura 10.5C Copyright © 2006 Zanichelli editore Direzione complessiva della duplicazione Filamento sintetizzato in segmenti consecutivi Il trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA all’RNA e alle proteine 10.6 Il genotipo presente a livello di DNA si esprime nelle proteine, che determinano il fenotipo • Il genotipo di un organismo è l’informazione ereditaria contenuta nel suo DNA (nella sequenza delle sue basi). • Le proteine sono sintetizzate sulla base di informazioni contenute in sequenze di DNA dette geni. • Un particolare gene, una sequenza lineare di molti nucleotidi, codifica un polipeptide (fornisce cioè le istruzioni per la sintesi proteica). Copyright © 2006 Zanichelli editore Le informazioni genetiche sono prima trasferite dal DNA a una molecola di RNA (trascrizione) e poi dall’RNA a una proteina (traduzione). DNA Trascrizione RNA Traduzione Proteina Figura 10.6A Copyright © 2006 Zanichelli editore Il maggior contributo nel determinare la relazione tra geni ed enzimi venne fornita negli anni Quaranta dalle ricerche condotte su alcuni ceppi della muffa del pane definiti «mutanti nutrizionali». Figura 10.6B Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.7 L’informazione genetica viene scritta sotto forma di codoni e tradotta in sequenze di amminoacidi • Le «parole» del linguaggio chimico del DNA sono triplette di basi chiamate codoni. • I codoni di un gene contengono le informazioni per la sequenza di amminoacidi di una catena polipeptidica. Copyright © 2006 Zanichelli editore Trascrizione e traduzione dei codoni Molecola di DNA Gene 1 Gene 2 Gene 3 Filamento di DNA A A A C C G G C A A A A Trascrizione U U U G G C C G U U U U RNA Codone Traduzione Polipeptide Figura 10.7 Copyright © 2006 Zanichelli editore Amminoacido 10.8 Il codice genetico è «la stele di Rosetta» della vita Seconda base azotata Cys U C UUA UCA UAA Stop UGA Stop A UUG UCG UAG Stop UGG Trp G CUU C CUC CUA CUG CCU CCC CAU CAC His CGU CGC U CCA CCG CAA CAG CGA Gln CGG ACU ACC AAU AAC Asn AGU AGC Ser ACA Met o ACC AUG inizio AAA AAG Lys AGA AGG Arg A GCU GCC GAU GAC Asp GGU GGC AUU A AUC AUA GUU GUC GUA GUG Copyright © 2006 Zanichelli editore G Phe UCU UCC G Figura 10.8A A UUU UUC U Prima base azotata Quasi tutti gli organismi (dai batteri alle piante agli animali) condividono lo stesso codice genetico. C Leu Leu Ile Val Ser Pro Thr Ala UAU UAC GCA GAA GCG GAG Tyr UGU UGC Arg C A G Glu U C G U GGA Gly C A GGG G Terza base azotata U Processo per decifrare l’informazione genetica del DNA: Filamento da trascrivere T A C T T C A A A A T C A T G A A G T T T T A G U A G DNA Trascrizione A U G A A G U U U mRNA Codone di inizio Codone di arresto Traduzione Figura 10.8B Copyright © 2006 Zanichelli editore Polipeptide Met Lys Phe 10.9 La trascrizione produce messaggi genetici sotto forma di RNA Una rappresentazione dettagliata della trascrizione: Nucleotidi dell’RNA RNA-polimerasi T C C A A U Direzione della trascrizione Copyright © 2006 Zanichelli editore T T A C C A T A G G T Figura 10.9A A RNA appena sintetizzato Filamento stampo di DNA • Nelle cellule eucariotiche la trascrizione avviene nel nucleo. • I due filamenti di DNA si separano, nel punto in cui ha inizio la trascrizione, e uno dei due funziona da stampo. • I nucleotidi che costituiscono la nuova molecola di RNA prendono posto una alla volta lungo il filamento stampo del DNA, seguendo la stessa regola dell’appaiamento delle basi della duplicazione del DNA (tranne per il fatto che A si appaia con U invece che con T). Copyright © 2006 Zanichelli editore Trascrizione di un gene: RNA-polimerasi DNA del gene DNA della sequenza promotore 1 Inizio 2 Allungamento 3 Terminazione RNA completato Figura 10.9B Copyright © 2006 Zanichelli editore DNA della sequenza di terminazione Area mostrata nella figura 10.9A RNA in crescita RNA-polimerasi 10.10 L’RNA eucariotico viene modificato prima di lasciare il nucleo • Il tipo di RNA che codifica per le sequenze di amminoacidi è detto RNA messaggero (mRNA). • Le regioni di geni non codificanti, chiamate introni (cioè «sequenze che interrompono»), vengono rimosse. • Gli esoni (le regioni codificanti) si uniscono per produrre una singola molecola codificante di mRNA. Questo processo è chiamato splicing. Copyright © 2006 Zanichelli editore Gli introni vengono rimossi e alle estremità dei segmenti sono aggiunti un cappuccio e una coda. Esone Introne Esone Introne Esone DNA Trascrizione Aggiunta del cappuccio e della coda Cappuccio RNA trascritto con cappuccio e coda Gli introni vengono rimossi Coda Gli esoni si legano tra loro mRNA Sequenza codificante Nucleo Citoplasma Figura 10.10 Copyright © 2006 Zanichelli editore La traduzione dell’mRNA 10.11 Le molecole di RNA di trasporto fungono da interpreti durante la traduzione • La traduzione dell’mRNA in proteine avviene nel citoplasma in corrispondenza dei ribosomi. • I ribosomi sono gli organuli che coordinano le operazioni necessarie per passare dalle sequenze nucleotidiche alle catene polipeptidiche. Copyright © 2006 Zanichelli editore Per la traduzione del messaggio genetico dell’mRNA nel messaggio proteico, la cellula utilizza un interprete molecolare, un particolare tipo di RNA, chiamato RNA di trasporto (tRNA). Sito d’attacco dell’aminoacido Legame idrogeno Catena polinucleotidica di RNA Figura 10.11A Copyright © 2006 Zanichelli editore Anticodone • Ogni molecola di tRNA ha un’ansa a filamento singolo, posta a un’estremità, che contiene una speciale tripletta di basi azotate chiamata anticodone (complementare a un particolare codone dell’mRNA). • All’altra estremità c’è invece il sito di attacco di uno specifico amminoacido. Sito d’attacco dell’amminoacido Figure 10.11B, C Anticodone Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.12 I ribosomi costruiscono i polipeptidi Un ribosoma è costituito da due subunità, ciascuna formata da proteine e da grandi quantità di un tipo di RNA chiamato RNA ribosomiale (rRNA). Molecole di tRNA Polipeptide in via di formazione Subunità grande mRNA Figura 10.12A Copyright © 2006 Zanichelli editore Subunità piccola Durante la traduzione, le subunità di un ribosoma tengono unite tra di loro le molecole di tRNA e di mRNA. Sito di legame per l’mRNA Subunità grande Successivo amminoacido da aggiungere al polipeptide Polipeptide in via di formazione tRNA mRNA Subunità piccola Figure 10.12B, C Copyright © 2006 Zanichelli editore Codoni 10.13 Un codone d’inizio indica il punto di partenza del messaggio portato dall’mRNA Inizio del messaggio genetico Fine Figura 10.13A Copyright © 2006 Zanichelli editore Nel processo d’inizio della traduzione, vengono coinvolti l’mRNA, il primo amminoacido attaccato al suo tRNA e le due subunità ribosomiali. Met Met Subunità ribosomiale più grande tRNA di partenza Sito P U A C A U G U A C A U G Codone d’inizio 1 mRNA Figura 10.13B Copyright © 2006 Zanichelli editore Sito A Subunità ribosomiale più piccola 2 10.14 Nella fase di allungamento si aggiungono amminoacidi alla catena polipeptidica fino a quando il codone di arresto termina la traduzione • Completata la fase d’inizio, al primo amminoacido se ne aggiungono altri, uno alla volta, durante il processo di allungamento. • Il processo di allungamento prevede tre tappe: – riconoscimento del codone; – formazione del legame peptidico; – traslocazione. Copyright © 2006 Zanichelli editore Il processo di allungamento: Amminoacido Polipeptide Sito P Sito A Anticodone mRNA Codoni 11 Riconoscimento del codone Movimento dell’mRNA Codone di arresto 2 2 Formazione del legame peptidico Nuovo legame peptidico Figura 10.14 Copyright © 2006 Zanichelli editore 3 Traslocazione 3 Traslocazione • L’mRNA sposta un codone alla volta e il tRNA si appaia ad ogni codone con il suo anticodone complementare, aggiungendo il suo amminoacido alla catena peptidica. • L’allungamento continua fino a quando un codone d’arresto (UAA, UAG, UGA) giunge nel sito A del ribosoma, terminando la traduzione. Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.15 Il passaggio di informazioni genetiche nella cellula segue la direzione DNARNAproteina La sequenza dei codoni nel DNA «scrive lettera per lettera» la struttura primaria di un polipeptide. Copyright © 2006 Zanichelli editore Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un polipeptide: 1 2 3 4 5 Figura 10.15 Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.16 Le mutazioni possono cambiare il significato dei geni • Qualsiasi variazione nella sequenza nucleotidica del DNA rispetto alla sua conformazione originale è detta mutazione. • Le mutazioni sono causate da errori nella duplicazione del DNA, da ricombinazione o da agenti mutageni. DNA di emoglobina normale C T T mRNA Copyright © 2006 Zanichelli editore A T G U A C mRNA G Figura 10.16A DNA di emoglobina mutante A A Emoglobina normale Glu Emoglobina dell’anemia falciforme Val La sostituzione, l’inserzione o la delezione di nucleotidi alterano un gene con varie conseguenze sull’organismo. Gene normale A U G A A G U U U G G C G C A mRNA Proteina Met Lys Phe Gly Ala Sostituzione di una base azotata A U G A A G U U U A G C G C A Met Lys Delezione di una base azotata Phe Ser Ala U Mancante A U G A A G U U G G C G C A U Figura 10.16B Copyright © 2006 Zanichelli editore Met Lys Leu Ala His La genetica dei virus e dei batteri 10.17 Il DNA virale può diventare parte del cromosoma ospite • I virus possono essere considerati come geni impacchettati in proteine. • I virus possono riprodursi solo all’interno di una cellula, utilizzandone le strutture e l’energia. Copyright © 2006 Zanichelli editore • Nel ciclo litico, quando il DNA fagico entra in un batterio, è duplicato, trascritto e tradotto. • Il nuovo DNA virale e le nuove proteine sintetizzate vengono poi usate per assemblare nuovi fagi che si liberano dalla cellula ospite quando questa si rompe. Copyright © 2006 Zanichelli editore • Nel ciclo lisogeno la duplicazione del DNA virale avviene senza la produzione di nuovi fagi e senza la morte della cellula ospite. • Il DNA fagico si integra in quello della cellula ospite (profago) e viene trasferito alle cellule figlie con la riproduzione della cellula ospite che duplica il DNA profagico insieme al proprio. • I profagi possono rimanere nelle cellule batteriche per sempre ma, in particolari condizioni ambientali, un profago può staccarsi dal suo cromosoma ospite e iniziare un ciclo litico. Copyright © 2006 Zanichelli editore In un fago esistono due tipi di cicli riproduttivi: Il fago si attacca alla cellula 1 1 Cromosoma batterico DNA del fago La cellula si rompe liberando i fagi Il fago inietta DNA 7 2 Numerose divisioni cellulari 4 Ciclo litico Si assemblano i fagi Ciclo lisogeno Il DNA fagico assume un aspetto circolare 3 5 Profago Il batterio lisogeno si riproduce normalmente, duplicando il profago a ogni divisione cellulare 6 OPPURE Vengono sintetizzati nuovo DNA fagico e nuove proteine Figura 10.17 Copyright © 2006 Zanichelli editore Il DNA fagico si inserisce nel cromosoma batterico per ricombinazione 10.18 Molti virus sono causa di malattie negli animali • Molti virus che infettano gli animali e le piante causano malattie. • Molti, come il virus dell’influenza, hanno come materiale genetico l’RNA al posto del DNA. Involucro esterno RNA Rivestimento proteico Figura 10.18A Copyright © 2006 Zanichelli editore Estroflessione glicoproteica Alcuni virus che infettano le cellule animali VIRUS • usano parte della membrana della cellula ospite come rivestimento protettivo; • possono rimanere latenti nel corpo dell’ospite per lunghi periodi. Glicoproteina Rivestimento proteico RNA virale (genoma) Involucro esterno Ingresso Membrana plasmatica 1 della cellula ospite Viral RNA (genome) 4 2 Eliminazione del rivestimento 3 Sintesi di RNA Sintesi di proteine mRNA Nuove proteine virali 5 Sintesi di RNA Filamento stampo Nuovo genoma virale 6 Assemblaggio Uscita Uscita 7 Figura 10.18B Copyright © 2006 Zanichelli editore COLLEGAMENTI 10.19 Le malattie virali delle piante La maggior parte delle virosi che infettano le cellule vegetali: • è costituita da virus a RNA; • entra nei propri ospiti attraverso delle ferite nei loro rivestimenti esterni. Proteine RNA Figura 10.19 Copyright © 2006 Zanichelli editore COLLEGAMENTI Colorizzata TEM 50 000 Colorizzata TEM 370 000 10.20 L’umanità deve affrontare la comparsa di nuovi virus Figura 10.20A Copyright © 2006 Zanichelli editore Figura 10.20B 10.21 Il virus dell’AIDS assembla il DNA utilizzando l’RNA come stampo Il virus dell’AIDS (HIV) è un retrovirus. Involucro esterno Glicoproteina Rivestimento proteico RNA (due filamenti identici) Trascrittasi inversa Figura 10.21A Copyright © 2006 Zanichelli editore All’interno di una cellula, l’HIV usa il proprio RNA come stampo per produrre DNA da inserire nel DNA cromosomico dell’ospite. RNA virale CITOPLASMA 1 NUCLEO DNA cromosomico Filamento di DNA 2 DNA a doppio filamento 3 DNA del provirus 4 5 RNA virale e proteine RNA 6 Figura 10.21B Copyright © 2006 Zanichelli editore 10.22 In natura i batteri possono trasferire il DNA in tre modi diversi I batteri possono trasferire geni da una cellula all’altra attraverso tre processi: trasformazione, trasduzione o coniugazione. Ponte citoplasmatico DNA che entra nella cellula Frammento di DNA appartenente a un’altra cellula batterica Fago Phage Frammento di DNA appartenente a una cellula batterica (precedente ospite del fago) Cromosoma batterico (DNA) Pili sessuali Cellula donatrice (maschio) TRASFORMAZIONE Figure 10.22A–C Copyright © 2006 Zanichelli editore TRASDUZIONE Cellula ricevente (femmina) CONIUGAZIONE Una volta che il nuovo DNA entra in una cellula batterica, una parte di esso può essere integrata nel cromosoma della cellule ricevente. DNA trasferito Figura 10.22D Cromosoma della cellula ricevente Copyright © 2006 Zanichelli editore Inserzioni DNA demolito Cromosoma ricombinante 10.23 I plasmidi batterici possono essere utilizzati per trasferire i geni • I plasmidi sono piccole molecole circolari di DNA separate dal più grande cromosoma batterico. • Alcuni plasmidi possono favorire la coniugazione e passare in un’altra cellula. Copyright © 2006 Zanichelli editore I plasmidi possono servire come trasportatori per trasferire i geni. Fattore F (plasmide) Fattore F (integrato) Batterio «maschio» donatore Origine della duplicazione Batterio «maschio» donatore Cromosoma batterico Cromosoma batterico Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento del DNA Il fattore F inizia la duplicazione e il trasferimento Solo una parte del cromosoma si trasferisce Il plasmide completa il trasferimento e assume di nuovo la forma circolare Plasmidi Può avvenire la ricombinazione Figure 10.23A–C Copyright © 2006 Zanichelli editore La cellula diventa «maschio» Colorizzata TEM 2000 Cellula ricevente