la genetica molecolare

La biologia molecolare del
gene
Copyright © 2006 Zanichelli editore
La struttura del materiale genetico
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
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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
Polinucleotide
del DNA
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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
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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
H
CH2
O
Uracile (U)
O–
O
C H
H C
H C
C H
O
OH
Zucchero
(ribosio)
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C
N
Fosforo
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.
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• 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.
Torsione
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• 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
O
CH2
O O–
O P
O
O
CH2
O
O–
P
O
O
O
CH2
O
O–
P
HO O
G
C
A
T
T
G
C
T
Modello a nastro
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CH2
O O–
P
O
O
C
G
OH
A
O
Struttura chimica
Modello computerizzato
La duplicazione del DNA
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
C
G
C
G
C
G
A
T
A
T
A
T
Molecola originaria
del DNA.
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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
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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
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
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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
Estremità 3
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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
Direzione complessiva della duplicazione
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Filamento sintetizzato
in segmenti
consecutivi
Il trasferimento delle informazioni genetiche
dal DNA all’RNA e alle proteine
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).
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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
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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.
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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
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Amminoacido
Il codice genetico
Seconda base azotata
C
A
Phe UCU
UCC
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
G
GUU
GUC
GUA
GUG
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Cys U
C
UUU
UUC
U
Prima base azotata
Quasi tutti gli
organismi (dai
batteri alle piante
agli animali)
condividono lo
stesso codice
genetico.
G
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
Polipeptide
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Met
Lys
Phe
La trascrizione
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
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T
T
A
C C A
T A G G T
Figura 10.9A
A
RNA appena sintetizzato
Filamento
stampo di DNA
La trascrizione
• 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).
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La trascrizione
Trascrizione di un gene:
RNA-polimerasi
DNA del gene
DNA
della sequenza
promotore
1 Inizio
2 Allungamento
3 Terminazione
RNA completato
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DNA della
sequenza
di terminazione
Area mostrata
nella figura 10.9A
RNA
in crescita
RNA-polimerasi
La trascrizione
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.
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La trascrizione
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
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La traduzione
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.
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La traduzione
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
Anticodone
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La traduzione
• 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
Anticodone
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La traduzione
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
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Subunità piccola
La traduzione
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
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Codoni
La traduzione
Un codone d’inizio indica il punto di partenza del
messaggio portato dall’mRNA
Inizio del messaggio genetico
Fine
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La traduzione
Le diverse tappe dalla trascrizione alla formazione di un
polipeptide:
1
2
3
4
5
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