Il DNA

Gli organismi viventi sono formati
da tante unità funzionali, le
CELLULE; si calcola che in ognuno
di noi ne esistano circa 100 mila
miliardi.
Ogni cellula contiene un
organello, il NUCLEO, all’interno
del quale si trovano i
CROMOSOMI; ogni cromosoma è
formato da un lunghissimo
filamento di DNA.
Tutte le cellule di un organismo
contengono lo stesso DNA.
Il DNA (Acido DeossiriboNucleico) è il
depositario dell’informazione
genetica.
Fu isolato per la prima volta dal
medico tedesco F. Miescher nel
1896, ma solo nel 1953 James
Watson e Francis Crick ne chiarirono
la struttura.
I due studiosi, mettendo insieme
tutti i dati conosciuti, descrissero il
DNA come una molecola formata
da due filamenti disposti a
formare una doppia elica molto
lunga e spiralizzata.
Ciascun filamento dell’elica è
formato dalla successione di unità
dette nucleotidi, costituiti dallo
zucchero deossiribosio, da un gruppo
fosfato e da una base azotata.
Vi sono due tipi di basi azotate: le
pu rin e , che presen tano u n a
struttura a due anelli e le pirimidine,
con un solo anello; nel DNA
compaiono due purine, l’adenina
(A) e la Guanina (G) e due
pirimidine, la citosina (C) e la
timina (T).
Le basi si incontrano sull’asse centrale dell’elica
e si uniscono mediante legami a idrogeno,
appaiandosi in maniera complementare: la C
con la G e la T con la A.
1.  l'esistenza di un rapporto 1:1 tra le basi puriniche (A+G) e le basi pirimidiniche (T+C) contenute
nel DNA di una cellula. Il rapporto è costante in tutte le specie, ma per specie diverse le
percentuali delle varie basi saranno anch'esse diverse. Questo rispecchia la diversità genetica
delle diverse specie.
2.  in una molecola di DNA a doppio filamento la concentrazione di adenina eguaglia quella di
timina e la concentrazione di citosina quella di guanina (%A = %T; %C = %G). Questo vale per il
DNA estratto dalle cellule di tutti gli organismi, anche se considerando organismi diversi le
percentuali avranno valori diversi. Questa semplice regola è stata uno degli elementi essenziali
che hanno permesso la formulazione del modello di DNA da parte di James Watson e Francis
Crick. Grazie anche a questa regola si è dedotto come le corrette forme di appaiamento delle
basi tra i due filamenti del DNA.
Pierce, GENETICA, Zanichelli editore
S.p.A. Copyright © 2005
Il DNA ha la capacità di fungere da stampo per
replicare se stesso: nella struttura doppia e
complementare dell’elica è contenuto il
meccanismo che consente la sua duplicazione.
Al momento della replicazione i due filamenti
della doppia elica si separano e ciascuno dirige
la sintesi di un nuovo filamento complementare,
utilizzando i nucleotidi liberi presenti nella cellula e
l a s t e s s a re g o l a d i a p p a i a m e n t o d e t t a
precedentemente.
Il risultato di questo processo è la formazione di
due molecole di DNA identiche fra loro e alla
molecola iniziale.
Modello
semi-conservativo
Modello
conservativo
Modello
dispersivo
Nel 1958 Meselson e Stahl
progettarono un esperimento per
distinguere fra i tre modelli. Essi fecero
crescere cellule batteriche in un
mezzo contenente l’isotopo pesante
dell’azoto 15N piuttosto che quello
normale leggero 14N. Questo isotopo
fu inserito nelle base azotate, che poi
vennero incorporate nei filamenti di
DNA di nuova sintesi.
Dopo molte divisioni in 15N, il DNA delle
cellule era ben marcato con questo
isotopo pesante. Le cellule vennero
quindi rimosse dal mezzo e fatte
crescere in un mezzo con azoto
normale; dopo una divisione cellulare,
così come dopo 2, 3, ... divisioni, i
campioni furono prelevati, e il DNA fu
estratto e messo in una soluzione di
cloruro di cesio in ultracentrifuga.
L’enzima che catalizza l’aggiunta di deossiribonucleotidi durante il processo
di duplicazione è la DNA polimerasi.
Esistono diverse isoforme di DNA polimerasi che condividono le seguenti
caratteristiche:
• Le DNA polimerasi non sono in grado di rompere i legami idrogeno per
separare i due filamenti di un’elica di DNA.
• Tutte le DNA polimerasi necessitano di uno stampo da copiare, fornito dai
filamenti di un’elica preesistente.
• Tutte le DNA polimerasi sono in grado di allungare un filamento di DNA o
RNA preesistente, non possono iniziare la sintesi di una catena.
• I due filamenti di una elica di DNA sono antiparalleli (5'— 3' e 3' — 5') e
tutte le DNA polimerasi catalizzano solo l’aggiunta di un nucleotide
all’estremità 3' di una catena nascente. In questo modo le catene possono
crescere solo in direzione 5' — 3'.
• Tutte le DNA polimerasi utilizzano come substrato solo i quattro nucleotidi
trifosfato.
I procarioti possiedono cinque tipi di DNA polimerasi:
•  DNA polimerasi I: coinvolta nella riparazione del DNA e nella rimozione degli
inneschi dei frammenti di Okazaki. Possiede attività esonucleasica sia in
direzione 5'->3', sia in direzione 3'->5'. Quest'ultima attività permette la lettura
delle basi precedentemente unite (proofreading o "lettura delle bozze") e
l'eventuale correzione in caso di errore
•  DNA polimerasi II: indotta da danni al DNA per la riparazione di errori (errorprone). Ha attività polimerasica 5'->3' ed esonucleasica 3'->5'.
•  DNA polimerasi III: l'enzima principale per la replicazione, con attività
polimerasica 5'->3' ed esonucleasica 3'->5' (proofreading). È attiva sia nella
sintesi del filamento guida, sia in quella dei frammenti di Okazaki.
•  DNA polimerasi IV e DNA polimerasi V: anch'esse coinvolte nella riparazione
del DNA.
Le polimerasi degli eucarioti sono invece:
•  DNA polimerasi α: è associata a una primasi (enzima che sintetizza i
primer di RNA) e procede all'allungamento degli RNA-primer con alcune
decine di deossiribonucleotidi (circa 50-100).
•  DNA polimerasi β: coinvolta nella riparazione del DNA, in particolare nei
processi di riparazione per escissione delle basi
•  DNA polimerasi γ: replica il DNA mitocondriale
•  DNA polimerasi δ: l'enzima principale della replicazione eucariotica.
Sintetizza sia il filamento leading, sia il filamento lagging. Quando la
polimerasi raggiunge il frammento di Okazaki precedentemente
sintetizzato, continua a muoversi lungo il filamento stampo lagging,
spostando il primer a RNA che verrà poi rimosso da una endonucleasi
(FEN-1). L'interruzione tra i desossiribonucleotidi è poi saldata da una
ligasi.
•  DNA polimerasi ε: è implicata sia nella replicazione del DNA che nei
meccanismi di riparazione del DNA in seguito ai processi di riparazione
per escissione dei nucleotidi.
La forcella di replicazione è la struttura in
cui avviene la duplicazione del DNA. E’
formata da una molecola di DNA in cui i
due filamenti complementari sono
separati per un tratto. I singoli filamenti
fungono da stampo per la sintesi di un
nuovo filamento complementare. Viene
definito filamento "guida" quello in cui la
sintesi di DNA procede in modo continuo,
mentre “ritardato” è quello in cui la
duplicazione avviene attraverso la sintesi
brevi segmenti di DNA, chiamati
frammenti di Okazaki.
La maggior parte delle reazioni di
duplicazione del DNA è bidirezionale.
Dopo che la DNA elicasi ha aperto
l’elica di DNA, diverse molecole di
DNA primasi, DNA polimerasi e DNA
ligasi svolgono la loro azione nelle due
direzioni.
Il materiale genetico deve soddisfare alcuni criteri specifici:
Contenere informazioni complesse (variegate) -per dare origine a tutta
la molteplicita’ delle forme viventiEssere:
•  presente in tutte le forme viventi
•  stabile e capace di replicazione fedele
•  capace di subire modificazioni permanenti (mutazioni)
Far parte dei cromosomi
Definire un fenotipo (codificare…)
Controllare la produzione di proteine (ipotesi un gene, una
proteina -A. Garrod- Beadle e Tatum -Neurospora-)
L’unità funzionale del genoma è il
gene: un gene è una sequenza di
nucleotidi necessaria per
costruire una determinata
proteina.
Si stima che nel genoma umano
esistano circa 30-40.000 geni.
I geni rappresentano soltanto il
2% di tutto il DNA umano. La
maggior parte del DNA non
codifica per alcuna proteina, e la
sua funzione non è ancora del
tutto chiara.
Fino all’inizio degli anni 1950 la maggior parte dei ricercatori
riteneva che le proteine fossero la base molecolare
dell’eredita’
Il tardivo riconoscimento del DNA come base molecolare
dell’eredita’ fu in gran parte dovuto alla mancanza di
conoscenze precise sulla sua composizione e soprattutto sulla
sua struttura
Londra, 1928, Frederick
Griffith, medico interessato
allo pneumococco…
L’esperimento di Griffith (1928): trasformazione di Streptococcus pneumoniae
Il ceppo rugoso (IIR) ed il ceppo liscio (IIIS) erano distinguibili sulla base della
reazione con antisieri (o se fatti crescere su capsule di petri)
Nell’animale si
possono trovare
cellule di tipo IIIS
vive (non IIS). Non
si e’ trattato
percio’ di
mutazione da IIR a
IIS
Avery, MacLeod e McCarty (1944): il
“principio trasformante” in S. pneunomiae
e’ il DNA
no proteine no DNA no RNA Non e’ sempre il DNA ad essere la base molecolare dell’eredita’ Nel 1956 Heinz Fraenkel-Conrat e Bea Singer dimostrano che nel virus TMV
l’informazione genetica e’ portata dall’RNA.
Le 4 basi A, T, C e G sono le lettere che formano l’alfabeto della vita.
Tutte le informazioni contenute nel nostro patrimonio genetico sono scritte nel DNA
sotto forma di sequenza di basi.
Il linguaggio del DNA è stato interpretato: ogni parola è formata da tre lettere, cioè
da una sequenza di tre basi azotate o tripletta.
Ogni tripletta serve a dirigere l'inserimento di un aminoacido nella proteina, e un
certo numero di triplette in successione corrisponde quindi ad una sequenza di
aminoacidi, ovvero ad una specifica proteina.
La corrispondenza tra il linguaggio
del DNA, scritto in nucleotidi e
quello delle proteine, scritto in
aminoacidi, costituisce il codice
genetico.
Il codice genetico e' universale,
cioe' e' lo stesso per tutte le forme
viventi.
Le 64 possibili triplette con icorrsipondenti aminoacidi
Ogni gene dirige la formazione
di una proteina diversa.
I geni sono localizzati sui
cromosomi.
Ogni cellula umana contiene 46
cromosomi, 23 ereditati dalla
madre e 23 dal padre.
I cromosomi sessuali, X e Y,
determinano il sesso dell’individuo:
le femmine possiedono due copie
dell’ X (XX) e i maschi una copia
dell’X e una dell’Y (XY).
Le altre 22 coppie sono dette
autosomi
Il corredo cromosomico di una cellula femminile
Sostanza contenuta nel nucleo cellulare, che si colora intensamente con i coloranti
basici usati nella tecnica istologica (ematossilina, blu di metilene, safranina, verde di
metilene, fucsina basica). Ha struttura filamentosa e durante la mitosi si organizza
spiralizzandosi e formando i cromosomi. La cromatina è un complesso nucleoproteico
stabile, comprendente DNA e proteine acide e basiche (principalmente istoni). In
particolare l’unione degli istoni al DNA porta alla formazione di nucleosomi, unità
fondamentali della cromatina. I nucleosomi determinano il tipico aspetto ‘a collana di
perle’ della c. osservata al microscopio elettronico. A secondo del grado di
condensazione, si possono distinguere due tipi di cromatina, con significato genetico
diverso.
Trattamento che consiste nel sostituire un
gene difettoso dal punto di vista
funzionale con uno normale.
La base tecnica della terapia genica
consiste nell'introduzione di geni,
precedentemente inseriti in opportuni
vettori (plasmidi, virus), in appropriate
cellule del paziente.
I tentativi sperimentali di applicazione
della terapia genica in diverse aree
biomediche (per es. oncologia e
infettivologia) hanno portato alla
ridefinizione e all'espansione del termine,
che ora indica tutti i trattamenti che
determinano alterazioni genetiche delle
cellule.
Processo di divisione cellulare che garantisce la conservazione e la
distribuzione dello stesso numero di cromosomi da una cellula madre alle
due cellule figlie.
Il materiale cromosomico raddoppia una volta e la cellula si divide una
volta.
La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche
cellula madre.
alla
Processo di divisione cellulare che porta alla produzione di cellule aploidi.
Il materiale cromosomico si raddoppia una volta e la cellula si divide due
volte.
E’ un processo fondamentale per garantire la conservazione dello stesso
numero di cromosomi all’interno di ogni specie.
Meiosi 1: i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi prima si uniscono, poi si separano e vengono distribuiB in nuclei disBnB. Meiosi 2: i cromaBdi che cosBtuiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiB ai nuclei delle cellule figlie