Basi chimiche dell`ereditarietà

CAPITOLO 14
Basi chimiche dell’ereditarietà
Agli inizi del XX non si avevano dubbi riguardo all’esistenza dei geni, ma non si sapeva cosa
trasportava i caratteri ereditari.
Nel 1928 lo scienziato Griffith provò che il principio responsabile della trasmissione dei caratteri
fosse una molecola semplice. Fece degli esperimenti sui batteri della polmonite dei topi,
pneumococco della polmonite (cocco = forma sferica, bacillo = forma non sferica). Questi batteri
erano di due ceppi:

Lisci: quelli virulenti portatori della malattia

Rugosi: non virulenti e innocui
Egli isolò i due ceppi di batteri distrusse le cellule dei batteri lisci facendoli diventare molecole
semplici, poi unì queste molecole con i batteri rugosi che assorbirono queste molecole e infetto i
topi da laboratorio con questi batteri rugosi. Il risultato fu che questi batteri rugosi una volta
assorbite le molecole di quelli lisci mutavano e diventarono virulenti uccidendo i topi.
Griffith capì che esiste una molecola responsabile della trasmissione dei geni.
Negli anni seguenti gli studiosi cercarono di capire quale era la molecola responsabile della
trasmissione dei geni, 2 erano quelle ipotizzate:

Le proteine, le favorite essendo composte da aminoacidi, che essendo 20 c’è maggiore
possibilità di combinazione tra essi.

L’acido deossiribonucleico (DNA che si chiama così perchè si trova solo nel nucleo
della cellula e per differenziarla dal RNA), che è composto da una base azotata ( di 4 tipi divisi
a loro volta in purine e pirimidine) da uno zucchero a 5 atomi di carbonio e da un gruppo
fosfato.
Lo studioso Avery nel 1944 condusse degli esperimenti per capire quale delle 2 molecole fosse.
Prese lo stesso batterio della polmonite e uccise allo stesso modo le cellule e le fece diventare
molecole semplici poi prima di mescolarle con i batteri rugosi aggiunse alle molecole un enzima
che distrugge le proteine ipotizzando che senza di esse non si sarebbero potuti trasmettere i geni.
Ma il risultato fu lo stesso di Griffith, ovvero tutti i topi da laboratorio morirono per la polmonite.
Allora egli ripeté l’esperimento ma introdusse al posto dell’enzima che distrugge le proteine quello
che distrugge il DNA. I batteri rugosi non assorbirono le caratteristiche virulente e i topi rimasero
portatori sani. Avery poté concludere dicendo che nei batteri la molecola che trasmette i geni è il
DNA. Ma poiché i batteri sono organismi complessi bisognava dimostrare che anche organismi più
semplici trasmettono le loro caratteristiche attraverso il DNA.
Nel 1952 Hershey e Chase fecero un esperimento con dei virus che attaccano i batteri detti
batteriofagi. Questi virus sono poco costosi, è facile allevarli in laboratorio e si riconoscono bene
al microscopio per la loro particolare forma. I virus sono più semplici dei batteri, vengono definiti
unità di replicazione biologica perché il virus inietta il DNA nell’ospitante e ne sfrutta i ribosomi
per moltiplicarsi e alla fine fa scoppiare la cellula. I virus sono formati da una testa che serve per
attaccarsi all’ospitante e da un capside formato da proteine che contiene il DNA. I due scienziati
isolarono due campioni di fagi e marcarono i primi con l’isotopo radioattivo del fosforo (quindi era
radioattivo il DNA) e gli altri con l’isotopo radioattivo dello zolfo (quindi le proteine erano
radioattive). I virus infettarono i batteri e successivamente gli scienziati isolarono i batteri infetti dai
corpi virali; esaminando i batteri infettari essi scoprirono che solo quelli infettati da virus col DNA
radioattivo erano radioattivi mentre gli altri no. Loro dedussero che il DNA dei virus passava nei
batteri mentre le proteine rimanevano nel corpo virale senza DNA.
Ora che si conosceva la funzione del dna bisognava conoscere la sua struttura tridimensionale. Il
problema era che il DNA non si può vedere al microscopio quindi bisognava trovare un altro
metodo: Watson e Crick pensarono che il metodo migliore fosse la diffrazione a raggi X, ma si
formò un altro problema: per l’osservazione precisa tramite la diffrazione bisognerebbe
cristallizzare la molecola che altrimenti risulterebbe posizionata nello spazio in modo caotico,
questa cristallizzazione blocca gli atomi e fa in modo che risultino fissi. Cristallizzare il DNA era
molto complicato perché la posizione degli atomi era molto complessa e non si doveva cambiare lo
stato fisico degli atomi. La cristallizzazione fu effettuata da una scienziata di nome Rosalind
Franklin una vera esperta in questo campo. La diffrazione avviene puntando un laser a raggi X
contro un cristallo di DNA, quando i raggi impattano sugli atomi essi rifraggono i raggi in modo
diverso e formano una figura (figura di diffrazione) che viene proiettata su una pellicola.
Attraverso un operazione matematica, chiamata Trasformata di Fourier, si può capire la struttura
della figura rifratta (nel caso dl DNA una specie di X).
I due scienziati costruirono un modello di DNA e
osservarono molte cose: è formato da una doppia elica,
formato da nucleotidi(ogni nucleotide è formato da un
gruppo fosfato, zucchero a 5 atomi di carbonio e da una base
azotata), le basi azotate si uniscono tra loro con dei legami
idrogeno (sono legami deboli perché devono permettere la
duplicazione), il DNA si avvolge verso destra.. Misurando
questa doppia elica si accorsero che le basi purine si
potevano unire con le pirimidine e in particolare la
guanina con la citosina e la timina con l’adenina poiche
tra A e T ci possono essere soltanto 2 legami idrogeno e tra C
e G 3 (legge di complementarità delle basi). Inoltre
scoprirono che la distanza tra ogni base azotata è di 0,34 nm
(passo d’elica) e quella di 10 basi è di 3,4 nm, quindi
appurarono che la struttura è regolare e simmetrica, inoltre dopo ogni 10 passi d’elica la scala si
ritrova nello stesso punto. Un’altra scoperta fondamentale fu quella dell’antiparallelismo dei
filamenti (un filamento è una singola parte dell’elica) cioè i due filamenti sono paralleli ma
viaggiano al contrario per poter avere i legami sempre uguali, es:i gruppi fosfato si legano agli
zuccheri sui carboni 3 e 5 sia sul filamento destro che su quello sinistro. Una caratteristica
fondamentale del DNA è quella di poter fornire copie esatte di se stesso. Nel momento della
duplicazione la molecola si apre lungo la linea mediana, le basi si separano all’altezza dei legami
idrogeno e ogni filamenti funge da stampo poiché per la legge di complementarietà delle basi ogni
base azotata può legarsi ad una sola altra base, se c’è A si dovrà unire con T, se c’è G solo con C
etc. La duplicazione avviene durante la fase S del ciclo cellulare, ovvero al duplicazione dei
cromosomi ed è un processo molto rapido. La duplicazione inizia sempre da una specifica sequenza
di nucleotidi detta punto di origine della duplicazione che richiede un enzima, proteine (elicasi
che gira in senso contrario al DNA, sinistroso, e lo svolge), e insieme alla DNA-Polimerasi che
spezza i legami idrogeno aprendo così al doppia elica. A questo punto può iniziare la fase di sintesi,
ovvero i nucleotidi che si trovano sparse nel nucleo, che vengono assorbite dall’uomo durante la
digestione( senza queste basi in più non potrebbe avvenire la duplicazioni), si attaccano ai filamenti
divisi, questa fase è caratterizzata da un gruppo di enzimi noti come DNA-Polimerasi, la regione
dove avviene la sintesi è detta bolla di replicazione, i suoi estremi sono detti forcelle di
replicazione. La primasi sistema i primer sul filamento vecchi che sono frammenti di poche basi
azotate di RNA che servono a far capire alla DNA-Polimerasi dove deve agire. Questi primer
vengono sistemati in un solo punto nel filamento guida mentre in quelle ritardato vengono posti in
più punti per favorire l’uso dei frammenti di Okazaki. Dopo bisogna togliere i primer perché sono
frammenti di RNA mentre bisogna creare due unità di DNA identiche, allora entra in gioco
l’esonucleasi che toglie i primer e la DNA-Polimerasi ricostruisce il DNA. Infine la ligasi unisce i
frammenti di Okazaki La duplicazione avviene in 2 direzioni e viene detta bidirezionale, la
duplicazione avviene fino a quando tutte le bolle che si sono formate sul filamento si sono
congiunte e si sono formati 2 eliche dette semiconservative poiché un filamento è nuovo e uno è
vecchio. I nucleotidi usati per costruire il nuovo filamento sono composti da tre gruppi fosfato(tipo
ATP) che una volta staccati liberano energia che viene sfruttata dalla DNA-Polimerasi per attaccare
i nucleotidi al vecchio filamento. I filamenti sono antiparalleli e la DNA-Polimerasi può agire solo
sul filamento in direzione 5’ 3’e non in quell’altro, il filamento dove può agire la DNA-Polimerasi è
detto filamento guida, mentre l’altro è detto filamento ritardato. Il filamento ritardato e
sintetizzato in modo discontinuo sotto forma di singoli frammenti chiamati frammenti di Okazaki.
Per motivi ancora sconosciuti la sintesi dell’ultimo frammento di Okazaki non può avvenire per cui
ogni duplicazione il cromosoma perde alcuni nucleotidi, ma si è scoperto che alla fine dei
cromosomi esiste una sequenza di basi che si ripete molte volte che permette di non creare danni
dalla perdita di questi nucleotidi, questa sequenza è detta telomero, per cui i cromosomi posso
duplicarsi 20-30 volte prima di perdere il contenuto genetico. Si è scoperto che esiste un enzima,
detto telomerasi, che si trova in molte cellule (anche in quelle cancerose) che ricostruisce i telomeri
e permette di mantenere integri i cromosomi. La DNA-Polimerasi serve per staccare i due filamenti,
attaccare i nucleotidi nuovi e correggere gli errori se per qualche motivo viene aggiunta una base
invece che un’altra, Proofreading, anche altri fattori possono influenzare la duplicazione es: i raggi
ultravioletti che possono creare cancri alla pelle per via di errori nella duplicazione del DNA. Si è
scoperto che le possibilità di combinazioni tra le basi raggiungono numeri astronomici per via della
lunghezza del DNA e questo porta alla infinita varietà delle specie.