Codice genetico e
sintesi delle proteine
I geni e le proteine: il codice
Il DNA contiene le istruzioni per la costruzione delle componenti
cellulari ma… qual è il linguaggio con le quali sono scritte?
Serie di ipotesi:
Archibald Garrod (1908) medico inglese ipotizzò che alcune
malattie umane dovute all’incapacità di svolgere processi chimici
fossero ereditarie e coinvolgessero gli enzimi
George W. Beadle (1941) genetista americano ipotizzò che i diversi
colori degli occhi nei mutanti di Drosophila fossero dovuti alla
variazione di un solo enzima
A metà del secolo cominciava ad essere chiara l’idea che le attività della cellula
dipendessero tutte da enzimi.
Un gene un enzima
Ceppi esposti a raggi x:
mutanti
Beadle e Tatum (1941),
grazie all’esperimento
sulla muffa del pane
(Neurospora crassa),
conclusero che ad un
gene corrisponde un enzima
(Nobel 1958)
Quale fase o mediatore
(enzima?) del processo di
biosintesi della prolina era
inattivo?
senza aa aggiunti
con tutti gli aa
aggiunti
3
I geni e le proteine
La comprensione di ciò che un gene può esprimere es essere
si ampliò nel tempo:
I geni e le proteine: l’anemia falciforme
le implicazioni del lavoro di Beadle e Tatum
Per dimostrare la correlazione tra mutazione genica e variazione nella
struttura proteica Pauling (1949) utilizzò l’elettroforesi.
Prelievo di emoglobina da individui
normali omozigoti
Prelievo di emoglobina da
individui omozigoti
recessivi
Prelievo di emoglobina da
individui normali eterozigoti per
l’allele dell’emoglobina
In un campo elettrico anche piccole differenze nella carica fanno
correre le proteine a velocità diverse.
La molecola del DNA è il codice che
contiene le istruzioni per tutte le
funzioni cellulari.
Le istruzioni sono eseguite dalle
proteine.
Come era possibile passare dal Dna
alle proteine? Il codice genetico
doveva essere tradotto.
La struttura dell’RNA:
simile a quella del DNA!
L’RNA è formato da nucleotidi costituiti da uno zucchero
(ribosio), una base azotata e un gruppo fosfato.
Le basi azotate sono:
guanina;
adenina;
citosina;
uracile.
DNA ed RNA a confronto
La struttura dell’RNA
Le differenze rispetto al DNA:
La struttura dell’RNA
L’RNA differisce per questi elementi:
Le prove sul ruolo dell’RNA: porta
informazioni sulla struttura proteica
L’RNA ha un ruolo nella traduzione da DNA a proteine
I primi indizi:
1. cellule molto ricche di RNA sintetizzano molte proteine;
2. l’RNA degli eucarioti si trova nel citosol dove avviene la sintesi proteica;
3. quando una cellula batterica viene infettata da un virus a DNA, viene
prodotto RNA;
4. esistono virus solo ad RNA e proteine.
La trascrizione
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Le fasi della trascrizione
• L’RNA messaggero veicola l’informazione per la sintesi proteica;
• viene trascritto a partire da un filamento di DNA che funge da stampo:
complemetarietà;
• la TRASCRIZIONE richiede l’enzima RNA polimerasi che si lega a un
sito promotore sul DNA;
(dopo l'individuazione del promotore, la RNA polimerasi rende il DNA adatto alla trascrizione. Il filamento di RNA inizia
quindi ad allungarsi, attraverso l'aggiunta di un nucleotide per volta. Il primo nucleotide del neofilamento di RNA
trattiene i tre gruppi fosfato mentre quelli successivi vengono privati di due gruppi fosfato attraverso una reazione
esoergonica che fornisce all’enzima l’energia sufficiente per operare)
• l’enzima aggiunge nucleotidi in direzione 5ˈ- 3ˈ complementari a quelli del
filamento stampo, con uracile al posto di timina;
• quando incontra la sequenza di terminazione, la trascrizione si blocca.
• Il DNA è la copia matrice che resta all’interno del nucleo
• L’ RNA messaggero porta l’informazione nel citoplasma poi si decompone nei
NTP che l’hanno costituito
Le 3 fasi del processo di trascrizione dell’RNAm nei procarioti
•
•
•
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•
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viene trascritto solo 1 dei 2 filamenti di DNA
non tutti i promotori sono uguali alcuni sono più
efficaci
alcune sequenze dei promotori sono comuni e
presenti in tutti i promotori ma vi sono alcune
regioni molto specifiche (fondamentali nel
differenziamento cellulare!)
vi sono dunque più regioni sul promotore
la direzione di crescita del trascritto RNA è 5’-3’
Transcription 3(D)
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Elaborazione dell’mRNA negli eucarioti
Gli introni sono
sequenze non
tradotte all’interno
del gene, trascritti in
una molecola nota
come pre-mRNA e poi
eliminati.
Gli esoni sono le
sequenze codificanti.
Elaborazione dell’mRNA negli eucarioti
Ibridazione mRNA-DNA:
l’appaiamento tra DNA stampo
denaturato con il calore ed
mRNA maturo non dava una
corrispondenza perfetta.
Le anse corrispondono agli introni.
Il numero di introni per gene
può variare ampiamente
Dal punto di vista evolutivo:
gli introni sono un prodotto
dell’evoluzione oppure un residuo?
I batteri li avrebbero eliminati con il tempo!
Elaborazione dell’mRNA negli eucarioti
Da pre-mRNA, tramite:
capping: aiuta l’uscita dell’mRNA dal nucleo e l’aggancio al
ribosoma avviene durante la sintesi del RNA
coda di poli-A: (almeno 200) conferisce stabilità alla molecola nel
citosol;
splicing: elimina gli introni;
si ottiene mRNA
maturo
Elaborazione
dell’mRNA
nel nucleo degli
eucarioti
Prima che la trascrizione sia completa
7-metilguanosina: necessario per l’uscita del
trascritto dal nucleo e per l’aggancio al ribosoma
eucariote
complesso molecolare: spiceosoma
(snRNP): particolarità PRECISIONE
poliA (almeno 200 A): STABILITA’ per mezzo di
specifici enzimi
Elaborazione dell’mRNA negli eucarioti
Splicing: taglio degli introni e unione degli esoni.
Spliceosoma: complesso formato da subunità dette
small nuclear ribo-nucleo-protein (snRNP).
Lo splicing alternativo negli eucarioti
Lo splicing alternativo: negli eucarioti (uomo ca 70% dei geni lo subisce; batterio
E.Coli 0%) ) a partire da un singolo gene e trascritto si formano mRNA
diversi e quindi diverse proteine.
La decodificazione del codice genetico
4 nucleotidi (lettere)
e 20 aminoacidi
(parole)
a) 1 nucleotide = 1
aminoacido?
b) 2 nucleotidi = 1
aminoacido?
possibili combinazioni
42
c) 3 nucleotidi = 1
aminoacido?
possibili combinazioni
43
codice a triplette
Marshall Nirenberg
Heinrich Mattehei
Il codice genetico
Il DNA e l’RNA contengono 4 nucleotidi diversi, le proteine
invece sono costituite da 20 amminoacidi.
Teoricamente si stabilì che solo con 3 nucleotidi era possibile
codificare per un numero più che sufficiente di amminoacidi.
1 nucleotide – 4 amminoacidi
2 nucleotidi – 42 amminoacidi = 16 amminoacidi
3 nucleotidi – 43 = 64 amminoacidi
Questa tripletta di nucleotidi viene chiamata codone.
Il codice genetico
Ingredienti esperimento A:
1. aminoacidi radioattivi: rendono
visibile la proteina codificata
2.
3.
estratti di E. coli
molecole di RNAm di organismi
anche diversi
L’RNA veniva letto e tradotto!
Ingredienti esperimento B: METODO
PER DECIFRARE IL CODICE GENETICO
1. 1 aminoacido
radioattivo/provetta
2. estratti di E. coli
3. molecole di RNAm inventato (poiUUU)
L’RNA veniva letto e tradotto in phe-phephe-phe……!!
Nirenberg e Matthaei
decifrarono la prima parola del
codice: UUU = fenilalanina
Il codice genetico
64 triplette possibili: codoni
61 combinazioni codificanti
3 sono segnali di arresto
Il codice genetico è universale (si è
evoluto in tempi remoti)
eccezioni (mitocondri)
Il codice genetico è degenerato:
più codoni per un unico
amminoacido, differiscono per il
nucleotide finale
