Bioinformatica A.A. 2006/2007 - Dipartimento di Matematica e

Bioinformatica
Corso di Laurea specialistica in Informatica
Biologia Molecolare:
cellule, genomi ed
evoluzione
14/03/2011
Outline
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
Outline
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
Gli organismi viventi
La Biodiversità
Per Biodiversità si intende la varietà delle forme di vita
sulla terra.
Tale diversità è identificabile a diversi livelli:
- Genetica
- Specie animali, vegetali e microbiche
- Ecosistemi e “specializzazioni” ecologiche legate
all’ambiente in cui le specie vivono.
È stimato che oggi sulla terra sono presenti
1.800.000 specie viventi
Gli organismi viventi
Le caratteristiche degli organismi viventi
Le caratteristiche fondamentali dei viventi sono:
• Possesso di un programma genetico ereditabile
• Capacita di esprimere il proprio programma genetico
Queste caratteristiche provocano la capacità dei viventi
di SOPRAVVIVERE al fine di DIFFONDERSI.
Poiché si considerano organismi viventi tutti i sistemi
costituiti da cellule, la cellula rappresenta l’unità
fondamentale della vita.
Gli organismi viventi
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Le caratteristiche principali degli organismi
viventi
Sono formati da una o più cellule
Crescono
Si riproducono
Muoiono
Utilizzano energia
Hanno una interazione con l’ambiente
(reagiscono agli stimoli)
Si evolvono
Gli organismi viventi
L’evoluzione
Si pensa che tutti gli organismi e tutte le cellule che li
costituiscono siano derivati da una cellula progenitrice
(GENOTOPE) in seguito ad una evoluzione per selezione
naturale.
2 teorie sull’evoluzione
Lamarck
Darwin
gli organismi viventi si modificano
gradualmente nel tempo adattandosi
all'ambiente: l'uso o il non uso di
determinati organi porterebbe con il tempo
ad un loro potenziamento o ad un'atrofia.
la “lotta per la vita” è il motore
dell'evoluzione. Mutazioni genetiche
casuali generano la diversità sulla quale
agisce la selezione operata dall’ambiente.
EREDITARIETA’ dei CARATTERI
ACQUISITI
IL più FORTE SOPRAVVIVE e
RIPRODUCENDOSI TRASMETTE I
CARATTERI MIGLIORI per L’AMBIENTE
Gli organismi viventi
La sola figura nell’opera di Darwin
The Origin of Species (1859)
Gli organismi viventi
La filogenesi
Classificazione degli organismi viventi
La classificazione filogenetica è un sistema artificiale che stabilisce dei confini tra
gruppi di organismi originatisi mediante un processo continuo: l’evoluzione.
Questo ha posrtato negli anni a numerose controversie nella identificazione dei gruppi
tassonomici degli organismi.
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
Procarioti ed eucarioti
Esistono due categorie di cellule che si
distinguono sulla base di una caratteristica
morfologica fondamentale:
La presenza o l’assenza del NUCLEO
I Procarioti
Gli Eucarioti
Sono il tipo di cellule meno
complesso. Non possiedono il
nucleo. Un un sistema esterno
(parete + membrana
citoplasmatica) racchiude un
unico compartimento entro il
quale sono contenute tutte le
componenti cellulari. I procarioti
tipici sono i BATTERI
Sono cellule più complesse.
Hanno un nucleo che separa il
materiale genetico dal resto della
cellula (citoplasma). Un sistema di
compartimenti interni delimitati da
membrane racchiude
microambienti per specifiche
funzioni cellulari. Tutti gli animali e
le piante SUPERIORI sono
Procarioti ed eucarioti
Cellula procariotica
Dimensioni: da 1 a 10μm
Organelli: nessuno
Citoscheletro: assente
Organizzazione cellulare:
unicellulare
Cellula eucariotica
Dimensioni: da 5 a 100 μm
(con le dovute eccezioni)
Organelli: nucleo, mitocondri,
cloroplasti, reticolo
endoplasmatico, etc...
Citoscheletro: assente
Organizzazione cellulare: in
genere pluricellulare
I Procarioti
I procarioti sono strutturalmente più semplici degli eucarioti ma il
numero di specie, di forme e di funzionalità rappresentate da
questi organismi li rende un gruppo molto eterogeneo.
Sono unicellulari e TUTTE le funzioni dell’organismo (nutrizione,
relazione con l’ambiente esterno, riproduzione, movimento) sono
svolte contemporaneamente dalla stessa cellula.
Possiedono un solo cromosoma circolare, ma possono avere
diverse piccole molecole di DNA circolare accessorie: i plasmidi.
I plasmidi giocano un ruolo importante nella trasmissione
dell’informazione genetica trasversale (da batterio a batterio)
Si riproducono per fissione binaria producendo, a partire da una
cellula progenitrice, due cellule morfologicamente e
geneticamente identiche.
Il ciclo cellulare è molto rapido ed in condizioni ottimali riescono a
decuplicare il numero di individui di partenza in tempi brevissimi
La struttura dei geni, nei procarioti, è più semplice rispetto a
quella degli eucarioti.
Gli Eucarioti
Gli eucarioti sono strutturalmente più complessi, presentano
numerosi compartimenti in cui le reazioni chimiche del
metabolismo possono essere ottimizzate (in compartimenti chiusi
di dimenzione inferiore è possibile esercitare maggior controllo
sui processi e la diffusione chimica delle molecole è facilitata)
Possono essere sia unicellulari (ad esempio il lievito) sia
pluricellulari. Negli organismi pluricellulari le cellule si
specializzano per funzione andando a costituire TESSUTI che a
loro volta possono formare gli ORGANI. Nasce la necessità di
comunicare: le funzioni dei vari tessuti ed organi deve essere
sincronizzata.
Hanno DNA lineare organizzato in cromosomi. Lunghezza
superiore a quella degli eucarioti. Nasce la necessità di
“compattare” il materiale genetico.
La struttura dei geni, negli eucarioti, è più complessa. I geni sono
interrotti da sequenze non codificanti ed esistono numerosi
elementi deputati alla regolazione dell’espressione dei geni.
Solo negli eicarioti riproduzione e sessualità sono strettamente
correlate.
Da Procarioti ad Eucarioti
Una teoria evoluzionistica
Gli organelli citoplasmatici
Gli eucarioti sono caratterizzati da strutture interne
spesso delimitate da membrana:
- Nucleo: Contiene il materiale genetico (DNA).
All’interno del nucleo avviene anche la trascrizione e
la maturazione dell’RNA
- Mitocondri: organelli deputati alla produzione di
energia (ATP) tramite respirazione cellulare
- Reticolo endoplasmatico (ER): sede della sintesi
dei lipidi (componendti delle membrane cellulari)
- Apparato del Golgi: modificazione e trasporto di
molecole destinate all’esterno della cellula
- Cloroplasti: organelli deputati alla fotosintesi
clorofilliana (piante verdi e cianobatteri)
- Lisosomi: vescicole “digestive” conteneti enzimi per
la degradazione di molecole complesse e di “vecchi”
apparati da eliminare.
I mitocondri
Una teoria evolutiva
I mitocondri hanno un
genoma indipendente, una
doppia membrana che li
separa dal citoplasma, dei
ribosomi, una replicazione
indipendente dal resto della
cellula e tutte quelle
caratteristiche che lasciano
sospettare si sia verificato un
fenomeno di simbiosi tra un
“batterio” ancestrale capace
di effettuare la respirazione
cellulare, ed una cellula
eucariotica ancestrale che lo
ha inglobato, senza
distruggerlo, ottenedo un
vantaggio reciproco.
Teoria Endosimbiontica
I cloroplasti
Una teoria evolutiva
Anche i cloroplasti hanno un
genoma indipendente, una
doppia membrana, dei
ribosomi, una replicazione
indipendente dal resto della
cellula e tutte quelle
caratteristiche che lasciano
sospettare si sia verificato un
fenomeno di simbiosi tra un
“batterio” ancestrale capace
di effettuare la fotosintesi
clorofilliana, ed una cellula
eucariotica ancestrale che lo
ha inglobato, senza
distruggerlo, ottenedo un
vantaggio reciproco.
Teoria Endosimbiontica
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
I costituenti della materia vivente
Molecole di base e macromolecole
•Tutte le cellule sono costituite da macromolecole.
•Le macromolecole sono polimeri (molecole di grandi dimensioni) costituiti da
ripetizioni di singoli monomeri (elementi costitutivi di base).
•Esistono quattro proncipali classi di macromolecole, costituite rispettivamente da
quattro classi di monomeri:
-Proteine (costituite da amonoacidi)
-Acidi Nucleici (costituiti da nucleotidi)
-Lipidi (costituiti da acidi grassi e glicerolo)
-Polisaccaridi (costituiti da zuccheri semplici o monosaccaridi)
I costituenti della materia vivente
Molecole di base e macromolecole
I costituenti della materia vivente
I legami chimici
Le molecole sono formate da ATOMI, che interagiscono tra loro tramite LEGAMI
CHIMICI. Un legame chimico è una interazione che gli atomi contraggono sulla base
delle loro caratteristiche chimiche. Esistono legami chimici di diversa forza e natura:
•Il legame covalente è un legame forte. Sia la formazione che la rottura di un legame di
questo tipo richiede una energia molto elevata. I legami covalenti sono fondamentali per
la formazione dello “scheletro” che tiene insieme i singoli monomeri di una
macromolecola.
•I legami non covalenti sono legami deboli. La formazione e la rottura di questi legami è
dinamica a causa della bassa quantità di energia coinvolta nel legame. I legami non
covalenti sono fondamentali in tutti i processi biologici dinamici come la trasmissione
dell’informazione, l’acquisizione di struttura tridimensionale, etc. Il legami non covalenti
si dividono in:
•Legami ad Idrogeno
•Legami ionici
•Attrazioni di Van Der Waals
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
Le macromolecole: natura ed informazione
I Lipidi
I lipidi sono delle molecole idrofobiche: sono insolubili in acqua
ma solubili in solventi organici. Nella cellula sono presenti diversi
tipi di lipidi che possono svolgere funzioni di:
• Accumulo di energia (sotto forma di TRIGLICERIDI)
• Formazione delle membrane biologiche (che essendo
idrofobiche formano degli strati “impermeabili” che separano
fisicamente 2 compartimenti acquosi
•Segnalazione chimica (gli steroidi sono ormoni derivanti dal
colesterolo che svolgono il compito di regolare l’attività di cellule
bersaglio)
Le macromolecole: natura ed informazione
I polisaccaridi
I polisaccaridi sono grandi molecole costituite da monotone
ripetizioni di mono o disaccaridi. I monosaccaridi sono “zuccheri
semplici”, le unità più semplici dei carboidrati, i disaccaridi sono
costituiti da due monosaccaridi diversi.
• Il Glicogeno e L’amido sono polimeri costituiti da lunghissime
ripetizioni del monosaccaride “glucosio”
•Il Saccarosio è un disaccaride costituito da glucosio e fruttosio.
Le funzioni principali dei polisaccaridi sono:
•Funzione energetica
•Funzione di segnalazione al livello della superfice cellulare
Le macromolecole: natura ed informazione
Gli Acidi Nucleici
Gli acidi nucleici sono molecole acide, che sono state individuate
inizialmente nel nucleo delle cellule eucariotiche, costituite da
nucleotidi.
Il DNA rappresenta il supporto molecolare di tutta
l’informazione genetica presente nelle cellule eucariotiche,
nelle cellule procariotiche e nei virus a DNA.
L’RNA rappresenta il mezzo di trasmissione
dell’informazione, contenuta nel DNA, in tutte le cellule
eucariotiche e procariotiche. Esso rappresenta
probabilmente la più antica macromolecola biologica.
Le macromolecole: natura ed informazione
I Nucleotidi
Phosphate
HO
OH
P
Base
O
N
O
DEOSSINUCLEOTIDE
N
CH2
3’
DNA
N
N
O
5’
4’
NH2
Sugar
1’
2’
A; C; G; T
OH
H
Le macromolecole: natura ed informazione
I Nucleotidi
Phosphate
HO
OH
P
Base
O
N
O
RIBONUCLEOTIDE
N
CH2
3’
RNA
N
N
O
5’
4’
NH2
Sugar
1’
2’
A; C; G; U
OH
OH
Le macromolecole: natura ed informazione
Esistono due gruppi di nucleotidi che si distinguono sulla base
della loro natura chimica (singolo anello o doppio anello)
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
IL DNA: natura ed informazione
Come detto in precedenza il DNA è una sequenza di 4 diversi
nucleotidi. Lo zucchero ed il fosfato di ogni nucleotide costituisco
l’ossatura costante del filamento di DNA mentre le diverse basi
azotate sporgono permettendo l’interazione con altro filamento
di DNA
Le basi azotate, infatti, sono
particolarmente predisposte
ad interagire tra loro
attraverso legami ad idrogeno
(legami deboli) altamente
specifici. Le Adenine possono
interagire solo con le Timine e
le Guanine possono interagire
solo con le Citosine.
IL DNA: natura ed informazione
La legge della complementarietà delle basi:
Poiche i legami ad idrogeno tra basi appartenenti a nucleotidi
giustapposti (appartenenti a filamenti differenti) costringono ad
una specificità nell’interazione, i due filamenti di DNA sono
COMPLEMENTARI
G
C
A
T
G
C
Se in un filamento è
presente una T nell’altro
filamento deve essere
presente una A. E’
possibile sempre
ricostruire la sequenza di
un filamento a partire
dalla sequenza del suo
complementare.
IL DNA: natura ed informazione
Struttura del DNA: la doppia elica
La molecola di DNA consiste di
due catene polinucleotidiche
unite mediante le basi azotate e
avvolte l’una sull’altra a formare
una doppia elica destrorsa.
Le due catene sono
antiparallele cioe’ i due
filamenti sono orientati in
direzione opposta:
uno orientato in 5’-3’ e
l’altro in 3’-5’.
Gli scheletri di zucchero fosfato si
trovano all’esterno della doppia
elica, mentre le basi sono orientate
verso l’asse centrale.
IL DNA: natura ed informazione
Contenuto informativo del DNA
La struttura del DNA è costante. Il DNA è sempre una doppia elica
INDIPENDENTEMENTE dalla sequenza di nucleotidi che lo compone.
L’ossatura di zucchero e fosfato è costante.
La parte variabile, e quindi più informativa, è rappresentata dalla sequenza di BASI
AZOTATE.
Per questo motivo, in bioinformatica, l’informazione contenuta nel DNA è rappresentata da
una stringa composta da un alternanza 4 caratteri che rappresentano le basi azotate del DNA.
GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGG
AGCTGAGGAGCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGG
TCGCACACATCCACCGGCGCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCG
CCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCGGTAGACGCGACCACAGAAGATGTCGGGCCAAACGCTCACGG
ATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCTCTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTA
CTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGATCCAGGCTACCAACGAGACCAATGT
TAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGGGTGGTTGTGTTTAAG
GCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTCTAGAAATA
CACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAA
IL DNA: natura ed informazione
Contenuto informativo del DNA
L’INFORMAZIONE ALL’INTERNO
DELLA MOLECOLA DI DNA E’
QUALITATIVAMENTE OMOLOGABILE
AD UN DATO NUMERICO IN BASE 4
SI DISTINGUE:
A) INFORMAZIONE DIRETTA (INTRINSECA)
2-3% GENOMA UMANO TRASCRITTO IN RNA
(GENI)
B) INFORMAZIONE INDIRETTA (ESTRINSECA)
DOVUTA ALLA STRUTTURA CHE IL DNA STESSO ASSUME
IL DNA: natura ed informazione
Termini chiave
-Il genoma è l’insieme completo delle sequenze che costituiscono
il materiale genetico di un organismo. Negli eucarioti comprende
le sequenze di DNA cromosomico più qualunque sequenza di
DNA presente negli organelli
-Il gene è una porzione del genoma che contiene l’informazione
per la produzione di una proteina, e per la sua regolazione. Esso
rappresenta l’unità funzionale del genoma
-Il genoma è suddiviso, da un punto di vista fisico, in cromosomi.
Ogni cromosoma è una unità fisica indipendente che comprende
molti geni.
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
I cromosomi
E’ stato calcolato che la lunghezza totale di tutte le molecole di DNA che costituiscono il
genoma di UNA cellula è di circa 2 metri.
Il problema di “spazio occupato” dal materiale genetico è stato superato mediante
meccanismi recursivi di superavvolgimento che permettono di compattare il DNA in
strutture più dense.
La presenza di alcune proteine, chamate ISTONI, legate al DNA permette di
raggiungere un elevato grado di compattamento.
Esistono diversi gradi di compattamento del DNA che sono dipendenti da necessità
funzionali: tanto più “compatto” è un tratto di DNA tanto meno verrà utilizzata la sua
informazione. Prima di essere utilizzato un segmento genico deve essere decompresso,
quando non serve più può essere “compresso” di nuovo. Questa situazione è
estremamente dinamica.
La massa totale di DNA presente nel nucleo viene chiamata CROMATINA
La cromatina più compatta (e funzionalmente non attiva) viene chiamata
ETEROCROMATINA
La cromatina meno compatta (è più attiva) viene chiamata EUCROMATINA
I cromosomi
Il massimo grado di compattamento del DNA si raggiunge durante i processi di divisione
cellulare. Durante questo processo il DNA deve essere diviso in maniera eguale alle 2
cellule figlie che si originano dalla cellula progenitrice: è necessario che sia compatto e
resistente per evitare rotture e facilitare un equa distribuzione (processo meccanico).
E’ in questa fase che i cromosomi assumono
la forma ad X che tutti conosciamo. Nell’uomo
esistono 23 coppie di cromosomi, 22 delle
quali sono delle coppie di cromosomi identici
tra loro (AUTOSOMI) mentre 1 è costituita da
una coppia che può essere eterogenea e
definisce il sesso dell’individuo (ETEROSOMI
o CROMOSOMI SESSUALI)
Nella donna gli eterosomi sono due
cromosomi chiamati X
Nell’uomo gli eterosomi sono un cromosoma
X ed un cromosoma più piccolo chiamato Y
I cromosomi
La Diploidia
La condizione per la quale i cromosomi nell’uomo (ed in molti altri organismi)
sono organizzati in coppie viene definita DIPLOIDIA. In ogni coppia si avrà un
cromosoma di origine materna ed un cromosoma di origine paterna.
Tutte le cellule dell’organismo possiedono un corredo genetico di tipo diploide
ad eccezione dei gameti, che sono le cellule deputate alla riproduzione.
Queste cellule hanno un corredo genetico dimezzato che si definisce aploide: i
cromosomi non si presentano a coppie ma come singole entità. Il motivo di
questa diversità è semplice: con la fecondazione 2 gameti si fondono mettendo
in comune i propri cromosomi, se non ci fosse questo “dimezzamento” a livello
della produzione dei gameti, il nuovo organismo avrebbe un corredo
cromosomico di 92 cromosomi organizzati in quartetti.
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Organismi
Cellule eucariotiche e procariotiche
Molecole di base – Legami
Macromolecole – Natura ed informazione
DNA: la sequenza della vita – Natura ed
informazione
• Cromosomi
• Duplicazione del DNA
La replicazione del DNA
E’ fondamentale che ad ogni divisione cellulare il
DNA venga COPIATO in modo che ogni cellula figlia
abbia un corredo genetico identico a quello della
cellula progenitrice.
La conseguenza principale della scoperta della
struttura del DNA ad opera di Watson e Crick è stata
la comprensione dei maccanismi di replicazione del
DNA, che può essere definita SEMICONSERVATIVA
e SEMIDISCONTINUA
La replicazione del DNA
La replicazione è conservativa o semiconservativa?
Modello conservativo
Una delle cellule figlie eredita la
doppia elica parentale, l’altra
quella appena sintetizzata
Modello semi-conservativo
Entrambe le le cellule figlie
ereditano un filamento parentale
“vecchio” ed uno neosintetizzato
Modello distributivo
Entrambe le le cellule figlie
ereditano un parti di filamento
parentale “vecchio” e parti
neosintetizzati
La replicazione del DNA
La replicazione semiconservativa e la complementarietà delle basi
Il meccanismo che permette alla duplicazione del DNA di avvenire senza errori e di conservare
l’informazione contenuta nelle molecole parentali è la complementarietà delle basi, ottenuta
attraverso la specificità dei legami ad idrogeno.
I legami ad idrogeno che tengono insieme i due filamenti della doppia elica di DNA sono legami
deboli. Possono essere rotti in maniera controllata senza grosse difficoltà. Questo propcesso
prende il nome di DENATURAZIONE. Ognuna delle eliche separate può servire da stampo per
la sintesi del filamento complementare.
L’apertura dei due filamenti della
doppia elica (duplex) parentale è
soltanto transitoria e la struttura si
ripristina nel momento in cui si
formano i duplex figli. In ogni
particolare istante, la separazione
in filamenti singoli riguarda solo
un piccolo tratto del DNA duplex.
La forca di replicazione si sposta
man mano che la replicazione
procede.
La replicazione del DNA
La replicazione inizia in corrispondenza di una specifica sequenza chiamata origine di
replicazione. Alcune proteine si legano al DNA in corrispondenza dell’origine e
cominciano a svolgerlo. A questo punto delle proteine iniziatrici possono accedere ad
ognuno dei filamenti per iniziare la sintesi del nuovo DNA.
•La proteina deputata alla sintesi del DNA complementare ad uno stampo è la
DNA POLIMERASI. Questo enzima catalizza l’aggiunta di nuovi nucleotidi ad
una molecola di DNA quindi NON è in grado di iniziare dal nulla la sintesi di
una nuova molecola.
•Prima che la DNA polimerasi possa iniziare la sintesi di un nuovo filamento,
deve intervenire l’enzima PRIMASI, un enzima che sintetizza un breve
segmento di RNA sullo stampo del DNA. Su questo “innesco” (in inglese
primer) la DNA polimerasi può aggiungere nuovi nucleotidi e continuare la
sintesi.
•Poiche i primi nucleotidi, sintetizzati dalla primasi, sono ribonucleotidi (RNA)
vengono successivamente rimossi e sostituiti con desossiribonucleotidi (DNA).
La replicazione del DNA
La sintesi del DNA ha una direzione
Tutte le DNA polimerasi conosciute
sintetizzano il nuovo filamento in direzione
5'- 3'aggiungendo deossiribonucleotidi
(dNTP) al gruppo 3'-OH del
[deossiribosio] del nucleotide precedente.
Su un filamento la replicazione può
procedere nello stesso verso in cui si
sposta la DNA polimerasi, ed il processo è
continuo. Nell’altro filamento questo non è
possibile e deve avvenire in modo
discontinuo.
Nel filamento LAGGING si
generano dei frammenti di DNA
(frammenti di Okazaki) che
vengono succesivamente “incollati”
tra loro per ricostruire un filamento
continuo.
Le mutazioni e l’evoluzione
La DNA polimerasi commettono degli errori
•La DNA polimerasi sintetizza un nuovo filamento di DNA sulla base di un
filamento STAMPO. Ma la riproduzione della informazione è sempre affidabile
al 100% ?
•In realtà la polimerasi genera un errore con una frequenza di 10-6. Ogni tanto inserisce
un nucleotide sbagliato (non complementare allo stampo) generando una MUTAZIONE.
•La impossibilità di generare un corretto appaiamento tra nucleotidi non complemantari
genera nell’elica nascente una deformazione spaziale. Questa deformazione può essere
riconosciuta della polimerasi che può tornare indietro e correggere l’errore. Grazie a
questa attivita di “correzione di bozze” (proof reading) la frequenza di errore scende a
10-9.
•Le mutazioni che sfuggono alla correzione si “stabiliscono” nel DNA e diventano
ereditabili. Le mutazioni non sono sempre brutte e cattive: sono alla base delle
VARIABILITA’ GENETICA e quindi della EVOLUZIONE PER SELEZIONE NATURALE.
Le mutazioni e l’evoluzione
La DNA polimerasi commettono degli errori
Le mutazioni sono variazioni della sequenza nucleotidica del DNA.
Possono essere causate da:
errori durante la duplicazione del DNA
esposizione delle cellule ad agenti fisici o chimici (agenti mutageni)
Se la mutazione avviene all’interno di una regione di DNA implicata nella
produzione di una proteina, possiamo avere una alterazione nella proteina
corrispondente e di conseguenza nella funzione svolta dalla proteina in questione
Le mutazioni e l’evoluzione
Effetti delle mutazioni
Alterazione della funzione di una proteina
Nessun effetto sulla proteina
Un miglioramento della funzione