capitolo b 1 le basi chimiche dell`ereditarieta`

CAPITOLO B 1
LE BASI CHIMICHE DELL’EREDITARIETA’
STORIA DEL DNA DA PAG 2 A PAG 5
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Nel 1869 è isolato per la prima volta (con un procedimento simile a quello che abbiamo
svolto noi in laboratorio, quando abbiamo estratto il DNA dalle cellule della polpa del
kiwi: come ti ricorderai il DNA si presentava come un filamento di colore bianco, avvolto
su se stesso a formare una matassa). Inizialmente fu chiamato acido nucleico sia perché
aveva proprietà acide, sia perché era stato trovato nel nucleo delle cellule. In seguito prese il
nome di acido desossiribonucleico, per distinguerlo dall’acido ribonucleico (RNA)
- Nei primi anni del Novecento, si scoprì la composizione chimica del DNA: polimero
formato da una sequenza di nucleotidi a loro volta costituiti da 3 parti (un gruppo fosfato,
una molecola di desossiribosio e una base azotata)
- All’inizio del 1900, l’identità precisa del materiale ereditario era ancora sconosciuta. I
biologi, però, sapevano che i portatori dell’informazione ereditaria erano i cromosomi;il materiale
genetico si doveva trovare in uno dei 2 componenti dei cromosomi (DNA e PROTEINE).
-nel DNA
oppure
-nelle proteine.
Queste due sostanze erano presenti in quantità più o meno uguali in ciascun cromosoma e
quindi entrambe avrebbero potuto avere il ruolo di materiale genetico
- Fino agli anni Quaranta, la maggior parte degli studiosi propendeva per la seconda ipotesi,
dal momento che le proteine apparivano più complesse dal punto di vista della composizione
chimica: esse infatti sono formate da 20 tipi diversi di monomeri (amminoacidi), mentre il DNA è
formato soltanto da 4 tipi diversi di monomeri (nucleotidi).
Le proteine e il DNA sono due polimeri (molecole di grandi dimensioni formate da unità più
piccole dette monomeri).
Furono alcuni fondamentali esperimenti condotti sui batteri e sui virus a svelare il ruolo del
DNA nella trasmissione ereditaria.
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Nel 1943 uno scienziato canadese Avery ed i suoi collaboratori condussero numerosi
esperimenti sui batteri, arrivando a stabilire che era il DNA la sede del patrimonio genetico,
ma i loro risultati non furono presi in considerazione dai contemporanei perché ,
essendo i batteri organismi procarioti, pensavano che essi avessero un comportamento
diverso dagli organismi eucarioti.
Nel 1950 uno scienziato austriaco formulò le regole di Chargaff (dal suo nome) :vedi
tabella pag 5 : prima regola -in tutte le cellule degli individui della stessa specie , la
percentuale di molecole di timina è sempre uguale a quella di adenina e quella di citosina è
sempre uguale a quella di guanina – seconda regola – le percentuali in cui sono presenti le 4
basi azotate variano da una specie ad un’altra. Deduzione: le istruzioni sono contenute nelle
basi azotate.
Nel 1950 il chimico statunitense Pauling dimostrò che le proteine talvolta hanno una
struttura elicoidale e ne dedusse che anche la struttura del DNA potesse essere simile.
Nel 1952 due scienziati statunitensi (Hershey e Chase – uomo e donna) svolsero una
serie di esperimenti (utilizzando i batteriofagi – virus che infettano i batteri) molto
convincenti che dimostrarono, in modo inequivocabile, che è proprio il DNA il materiale
genetico. Per la struttura del batteriofago osserva la figura a pag 5. ESPERIMENTO (pag 4)
1. Quando un batteriofago parassita un batterio i suoi filamenti si attaccano alla
superficie del batterio. I due scienziati avevano capito che una parte del batteriofago (o il
DNA o le proteine) avevano la capacità di introdursi nel citoplasma della cellula batterica e
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dare origine, in seguito, a nuovi virus che avrebbero rotto la membrana cellulare del batterio
facendolo morire, mentre l’altra parte del batteriofago rimaneva fuori.
2. materiali usati durante l’esperimento: batteriofagi il cui rivestimento proteico era
marcato con zolfo radioattivo( le proteine contengono zolfo, ma non fosforo) batteriofagi
il cui DNA era marcato con fosforo radioattivo( il DNA contiene fosforo, ma non zolfo)
un rilevatore di radioattività, un frullatore , una centrifuga, batteri.
3. i due scienziati fecero infettare dai due gruppi di virus, marcati diversamente, due
differenti gruppi di batteri;
4. frullarono quindi le due colture, in modo da staccare meccanicamente le parti dei
batteriofagi rimaste fuori dalle cellule batteriche;
5. centrifugarono i miscugli ottenuti in modo da separare le cellule batteriche (più pesanti
ed accumulate sul fondo della provetta) dai batteriofagi (più leggeri che rimanevano in
sospensione nella provetta);
6. misurarono la radioattività nel precipitato (formato da batteri)
RISULTATI DELL’ESPERIMENTO
I due scienziati scoprirono che, quando i batteri erano infettati dai batteriofagi con
proteine radioattive , la radioattività era rilevata, nella provetta, nel liquido sovrastante,
contenente virus, ma non batteri; da questo risultato, si poteva dedurre che le proteine del
virus non erano entrate nelle cellule batteriche; quando i batteri erano infettati dai
batteriofagi con DNA marcato, al contrario, la maggior parte della radioattività si trovava
nel precipitato batterico;da questo risultato si poteva dedurre che il DNA del virus era
entrato nelle cellule del batterio. Tutte le istruzioni necessarie per produrre nuovi
batteriofagi dovevano essere contenute nel DNA.
- Nel 1953 i due scienziati Watson (statunitense) e Crick (inglese) scoprirono la struttura
tridimensionale del DNA presso l’università di Cambridge, servendosi di una tecnica
chiamata cristallografia ai raggi X, utilizzata anche da un’altra studiosa di nome Franklin.
Watson e Crick usarono a sua insaputa le scoperte fatte da lei (comportamento spregevole!).
Nel 1962 ottennero il premio Nobel per la medicina per le loro scoperte sul DNA. La
Franklin non lo ricevette perché morì per un tumore nel 1958. Con la scoperta della
struttura tridimensionale del DNA, nacque la biologia molecolare.
STRUTTURA DEL DNA DA PAG 6 A PAG 8
 I nucleotidi di ciascun filamento possono essere disposti in qualunque ordine e di
conseguenza la sequenza delle basi azotate si può presentare con una varietà enorme.
 In una cellula umana il DNA è lungo circa 2 m. Esso riesce a stare in uno spazio
molto piccolo, perché si avvolge intorno a delle proteine dette istoni (vedi pag 18 e
19) come il filo intorno ad un rocchetto
 In ogni cromosoma della specie umana il DNA è lungo circa 4 cm
 La distanza fra 2 filamenti è sempre di 2 nanometri (1 nanometro = 1 miliardesimo di
metro)
 Lungo ogni filamento ogni nucleotide è legato a quello successivo tramite un legame
covalente fra uno zucchero e un gruppo fosfato. Il gruppo fosfato, da una parte si
lega con il C posto in posizione 5 ‘ del desossiribosio e dall’altra con il C in
posizione 3’ di un’altra molecola di zucchero
 Ciascuna base azotata forma un legame covalente con un atomo di C dello zucchero
in posizione1’
 Le basi azotate complementari si legano con legami a idrogeno (2 fra A e T; 3 fra G
e C); i legami a idrogeno sono più deboli dei legami covalenti
 Ciascun filamento è a forma di elica e si intreccia con l’altro, da qui il nome struttura
a doppia elica.
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 I filamenti sono antiparalleli: all’interno della doppia elica i due
filamenti corrono in senso opposto e l’estremità 3’ (3 primo) su
un filamento si confronta con l’estremità 5’(5 primo) del filamento complementare.
Perciò ogni filamento ha una estremità 5’ che termina con un gruppo fosfato e una
estremità 3’ che termina con un gruppo OH (gruppo ossidrilico)
 Posizione degli atomi di C nel desossiribosio: vedi figura in alto a sinistra
 Il numero di coppie di basi appaiate è 6 miliardi nella specie umana . Il DNA
contenuto in una cellula umana può contenere informazioni equivalenti a quelle
contenute in una biblioteca di circa un migliaio di volumi. Si capisce, perciò, come la
struttura del DNA possa contenere le istruzioni per l’infinita diversità degli esseri
viventi. Il patrimonio genetico si trova nella sequenza delle basi azotate.
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DIFFERENZE FRA IL CROMOSOMA PROCARIOTE E IL CROMOSOMA
EUCARIOTE DA PAG 17 A PAG 19
CROMOSOMA PROCARIOTE
In ogni cellula è presente 1 solo cromosoma
CROMOSOMA EUCARIOTE
Nel nucleo di ogni cellula ne sono presenti più
di uno
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E’ di forma circolare (forma un anello)
E’ formato da una molecola di DNA a doppio
filamento
Se è svolto completamente è lungo circa 1 mm
(è avvolto attorno a proteine)
E’ di forma lineare
E’ formato da una molecola di DNA a doppio
filamento
Se è svolto completamente è lungo circa 2 m
(è avvolto intorno a proteine); in ogni
cromosoma, il DNA se completamente disteso,
è lungo 3 cm; in tutto il corpo umano ci sono
più di 20 miliardi di kilometri di DNA
Si trova in una zona della cellula detta nucleoide Si trova all’interno del nucleo, separato dal
(simile al nucleo) immerso nel ciptoplasma
citoplasma
Piccola quantità di DNA
Elevata quantità di DNA
Quasi tutto il DNA viene espresso;
Solo una piccola percentuale di DNA viene
l’espressione genica è il processo attraverso
espressa; il resto è denominato DNA spazzatura
cui l'informazione contenuta in un gene
(costituito di DNA) viene convertita in una
proteina.
I cromosomi sono organuli cellulari costituiti da due tipi di biomolecole (DNA e proteine), quindi
il DNA è un componente dei cromosomi, ma non è un cromosoma.
NUMERAZIONE ATOMI DI CARBONIO NELLE MOLECOLE ORGANICHE
Nelle formule di struttura delle molecole organiche ogni atomo di carbonio è numerato con un
numero (1 per il carbonio più importante). Vedi pag 3 di questo documento , figura in alto a sinistra
LA DUPLICAZIONE DEL DNA DA PAG 9 A PAG 11
Con questo processo, il DNA, presente in una cellula, può essere trasmesso ad altre.
Il processo si svolge solo in presenza di enzimi; ognuno di essi ha un compito preciso.
Fasi:
- La duplicazione parte da un punto preciso (formato da una sequenza di nucleotidi) della
molecola di DNA detto origine della duplicazione
I legami a idrogeno presenti fra le basi azotate si spezzano
- Alcuni enzimi si attaccano ai due filamenti per tenerli separati
- Si formano alcune bolle di duplicazione (zone in cui i due vecchi filamenti si separano)
alle cui estremità si trovano due forcelle di duplicazione (nella zona della molecola dove
c’è una biforcazione a forma di Y)
- Si formano, all’interno delle bolle di duplicazione due nuovi filamenti complementari a
quelli vecchi
- Un gruppo di enzimi, detti DNA polimerasi, unisce, tra loro, i nucleotidi delle due nuove
catene
- In una molecola di DNA, si formano molte bolle di duplicazione (solo nelle cellule
eucariote), mentre nelle cellule procariote vi è un’unica origine
- Termina così la duplicazione del DNA (da una molecola se ne sono formate due), essa è
chiamata semiconservativa, perché ciascuna nuova molecola è costituita da un filamento
vecchio e da uno nuovo
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