Il carbonio
La vita si basa su composti di carbonio immersi in acqua. Esso inoltre è capace di formare legami
forti con gli altri atomi.
Classi principali di molecole biologiche (Pag. 39).
Carboidrati
Lipidi
Proteine
Acidi nucleici
Molecole complesse, (polimeri) sono formate da quelle di base, (monomeri) il glucosio è un
monosaccaride, mettendo assieme più molecole di glucosio otteniamo un polisaccaride come
l’amido o la cellulosa.
I carboidrati
[C-H-O]
Le unità base dei carboidrati sono i monosaccaridi, come il glucosio, per noi la più importante fonte
di energia. Il glucosio può legarsi con altri monosaccaridi, formando carboidrati più complessi.
I lipidi
Sono insolubili in acqua e non risultano composti da monomeri. Una classe di lipidi molto comune
sono i gliceridi.
Le tre teste carbossiliche C-O-H del glicerolo si legano alle teste idrossile O-H di tre catene di
idrocarburi, formando legami estere; si forma cosi un trigliceride (un grasso):
GLICEROLO + 3ACIDI GRASSI =TRIGLICERIDE + 3H2O
Nei fosfolipidi invece, una delle tre catene di acidi grassi è sostituita da un gruppo fosfato H-P, che
a sua volta si lega ad una base azotata. (H-P -) + (N-H-O+) = TESTA POLARE (+/-) _ ACIDI
GRASSI.
Per questa doppia proprietà idrofoba e idrofila i fosfolipidi sono indispensabili per costituire le
pareti dei componenti cellulari.
Le proteine
Sono molecole biologiche polifunzionali costituite da catene di amminoacidi. La classe di proteine
più utilizzate dagli organismi viventi sono gli enzimi, responsabili di tutte le funzioni chimiche che
avvengono in loro.
Una catena di N amminoacidi si chiama polipeptide.
Gli amminoacidi che formano le proteine sono 20 e sono classificati in base alla catena laterale R:
NUCLEO (C-H)
GRUPPO AMMINICO (NH2)
GRUPPO CARBOSSILICO (COOH)
CATENA LATERALE ®
1
Gli amminoacidi sono per le proteine come lettere dell’alfabeto nelle parole. Il legame tra il gruppo
carbossilico di un amminoacido e quello ammino dell’altro si chiama legame peptidico:
COOH + NH2 = (CO_NH) + (H2O)
Per condensazione si perde una molecola d’acqua.
Quali forme possono assumere le proteine?
• Struttura primaria (sequenza di amminoacidi)
• Struttura secondaria (alfa elica, foglio spiegazzato)
• Struttura terziaria (catena polipeptidica ripiegata su se stessa)
• Struttura quaternaria (due o più catene polipeptidiche).
Dalla forma assunta dalla proteina derivano le sue funzioni, ma può perdere la sua forma
caratteristica (denaturata).
Gli acidi nucleici (DNA _ RNA)
Sono polimeri formati da nucleotidi, l’unione dei nucleotidi forma il DNA (acido
desossiribonucleico) che contiene le informazioni per fabbricare le proteine; una sequenza di
nucleotidi che reca le istruzioni per la produzione di una certa proteina si chiama gene.
L’RNA (acido ribonucleico) trasporta le istruzioni codificate nel DNA ai siti della cellula dove
avviene il montaggio delle proteine.
La struttura dei nucleotidi è costituita da tre parti:
• Gruppo fosfato
• Desossiribosio /ribosio
• Base azotata
I nucleotidi sono collegati tra loro secondo la struttura a doppia elica.
La cellula
Ogni cellula ha origine da una cellula preesistente, tutti gli esseri viventi derivano da una cellula
primordiale sviluppatasi 3,5 miliardi di anni fa.
• Cellula procariote (batteri)
• Cellula eucariote (animali, vegetali, insetti, funghi).
Il procariote è la cellula ancestrale che ha colonizzato tutti gli habitat.
Le cellule procariote sono indipendenti e si possono aggregare tra loro come i cocchi. Al loro
interno non sono divise in settori, vi è un’unica membrana plasmatica costituita da un doppio strato
lipidico che contiene DNA omogeneo e ribosomi (RNA + proteine). Il tutto avvolto da un ulteriore
rivestimento o parete cellulare, costituito da una struttura rigida di polisaccaridi o proteine.
Alcuni batteri hanno inoltre un’ulteriore capsula. Sono organismi autotrofi capaci quindi di nutrirsi
da se, hanno, infatti, la capacità di ottenere le sostanze utili da minerali, CO2, azoto ecc. ; per
sintetizzare i suoi componenti partendo quasi da zero. Vi sono anche batteri in grado di utilizzare la
fotosintesi (foto autotrofi). Tutti gli altri organismi sono eterotrofi.
La cellula eucariotica
Presenta un nucleo e altri componenti dotati tutti di membrane. Vi sono quindi diversi
compartimenti che separano l’esterno dall’interno. Ciò consente una divisione del lavoro, tenendo
le molecole da sintetizzare concentrate in determinate parti:
2
•
•
•
•
•
•
Nucleo
Retticolo endoplasmatico
Ribosomi
Apparato del Golgi
Mitocondri
Lisosomi
Il nucleo contiene il DNA e i nucleoli. La membrana nucleare protegge il nucleo e attraverso i suoi
pori, il nucleo può interagire col citoplasma.
Il retticolo endoplasmatico (R-E rugoso/liscio) si dipana dal nucleo e serve a sintetizzare le proteine
attraverso i ribosomi del R-E rugoso (RNA + proteine).
L’apparato del Golgi seleziona le proteine prodotte, destinate anche alla sostituzione delle porzioni
di membrana plasmatici perse durante i processi di endocitosi (ing. Sostanze) ed esocitosi (usc.
Sostanze).
I mitocondri sono costituiti da una membrana esterna e da una interna, contengono DNA
mitocondriale e ribosomi (RNA + proteine). Producono ATP, la moneta energetica della cellula. Le
cellule vegetali contengono anche i cloroplasti che sono come dei mitocondri ma hanno anche la
clorofilla che consente la fotosintesi.
I lisosomi contengono enzimi digestivi che demoliscono tutto ciò che entra nella cellula.
Una teoria diffusa dice che mitocondri e cloroplasti sarebbero stati dei batteri indipendenti che nel
corso dell’evoluzione sono entrati in simbiosi con le cellule per mutuo vantaggio. Il batterio trova
un ambiente protetto dove trova cibo mentre la cellula ottiene ATP. Con l’evoluzione questa
dipendenza è divenuta irreversibile; il batterio non è più indipendente, parte del suo DNA
appartiene al genoma del nucleo.
Accenni sul metabolismo
Energia = capacità di produrre cambiamento; l’energia non può essere ne creata ne distrutta
• Legami chimici
• Spostamento di sostanze
Le trasformazioni dell’energia sono in relazione ai cambiamenti della materia
• Luminosa
• Chimica
• Meccanica
Energia cinetica/potenziale
Energia potenziale/cinetica
In natura si chiama metabolismo e viene messo in funzione da determinati enzimi
•
•
Reazioni anaboliche/endoergoniche ( richiedono energia e da un certo numero di monomeri
si ottiene un polimero
Reazioni cataboliche/esoergoniche (liberano energia e demoliscono i polimeri ottenendo dei
monomeri)
3
Prima legge della termodinamica
“in qualsiasi trasformazione di energia da una forma all’altra l’energia totale prima o dopo la
trasformazione è sempre la stessa”
seconda legge della termodinamica
energia tot =energia utilizzabile – energia inutilizzabile (per mantenere l’equilibrio è necessaria una
fonte di energia costante)
L’ATP
È la moneta energetica della cellula (adenosina trifosfato). Può compiere una reazione endoergonica
cedendo il più esterno dei tre gruppi fosfato, rendendo cosi disponibile dell’energia.
A questo punto l’ATP diviene ADP, quando si è stato aggiunto ad essa il terzo gruppo fosfato,
immagazzina nuova energia ridivenendo ATP. L’energia che acquista divenendo tale deriva dal
cibo:
[C6H12O6 + 6 O2] / ADP = [6CO2 + 6H2O] / ATP
•
•
Ossidazione (il glucosio tramite l’ossigeno cede energia utile all’ADP
Riduzione (l’ADP tramite un gruppo fosfato immagazzina l’energia, il glucosio è scomposto
in anidride carbonica e acqua).
Il passaggio dell’energia dal glucosio all’ATP avviene attraverso numerose reazioni chimiche
catalizzate dagli enzimi e suddivise in tre tappe:
•
•
•
Glicolisi
Ciclo di Krebs
Catena di trasporto degli elettroni
La membrana plasmatica
Forma compartimenti selettivi ed è semi impermeabile. Questo garantisce una selezione delle
molecole; il doppio strato di fosfolipidi forma le membrane cellulari.
Come fa una membrana idrofila a passare?
Questo si spiega con la presenza di proteine specifiche e anche una certa quantità di colesterolo.
Quali funzioni hanno queste proteine?
•
•
•
Canali (porte di accesso per altre sostanze)
Contatto (con altre proteine di matrice extracellulare che possono formare un’ulteriore
protezione, di solito polisaccaridi)
Recettori (come l’insulina, fanno entrare sostanze come proteine o altre molecole; cambiano
la forma della proteina e quindi le sue funzioni. Ricevono quindi segnali dall’esterno, come
le sinapsi.
4
•
Enzimi (addetti alle funzioni chimiche)
Questi componenti sono integrati all’interno della membrana.
Natura chimica del gene
Come si mantengono costanti gli individui della stessa specie?
•
•
Auto duplicazione
Estrema stabilità
Come ci spieghiamo l’evoluzione?
Con le mutazioni
Come si è arrivati a capire che le istruzioni genetiche fossero contenute nel DNA?
•
•
•
1928, esperimento di Griffith sullo streptococcus preomonie, su due ceppi (2S/2R; 3S/3R),
riesce a ottenere una mutazione dal ceppo 2R al ceppo 3S. Per Griffith esiste un “principio
trasformante.
1940, gli americani lavorano sugli stessi ceppi, 2R + lisato di 3S. La mutazione si ripete;
l’esperimento conferma le conclusioni di Griffith. In un secondo esperimento effettuano al
ceppo 2R aggiunte di componenti del lisato in modo selettivo. All’aggiunta di DNA avviene
la mutazione.
1952, un altro gruppo americano effettua l’esperimento decisivo utilizzando il virus T2 e un
batterio. Il T2 venne nutrito con isotopi radioattivi del fosforo, il batterio invece fu nutrito
con isotopi radioattivi dello zolfo. Dimostrarono cosi il ruolo di preminenza del DNA.
Struttura del DNA
Il monomero del DNA è il nucleotide:
•
•
•
Gruppo fosfato
Zucchero (desossiribosio)
Base azotata
Le basi azotate sono quattro divise in due gruppi di derivati:
•
•
Purine (adenina / guanina)
Pirimidine (timina /citosina / uracile)
Secondo le regole di Chagaff in ogni DNA, indipendentemente dalla sorgente il n° di purine è
uguale a quello delle pirimidine, (A + G) = (T + C).
•
•
•
C1 (si lega alla base azotata)
C3 (si lega al gruppo fosfato anteriore
C5 (si lega al gruppo fosfato posteriore)
5
Secondo il modello di Watson & Crick il DNA ha una struttura a doppia elica, come una scala a
chiocciola, dove il legame fosfato / zucchero forma il corrimano; mentre purine e pirimidine
formano gli scalini.
Le due catene sono antiparallele [(3’_5’)/(5’_3’)].
Livelli di organizzazione del DNA
Come fa una lunga sequenza di nucleotidi come il DNA a stare dentro il nucleo?
Esso è ripiegato in se stesso a formare i cromosomi. Nei procarioti esiste un solo cromosoma e la
molecola di DNA è chiusa. Degli enzimi specifici hanno il compito di compattare il DNA; un
gruppo preciso di nucleotidi formano il gene, (polinucleotide).
Il genoma è dunque l’insieme dei geni presenti nel DNA.
Struttura dei cromosomi eucarioti:
• Le proteine istoniche riunite in gruppi da 8 formano un istone attorno al quale si avvolge il
DNA. Questo è dovuto al fatto che gli istoni sono basici mentre il DNA è acido.
• I listoni formano le fibre di cromatina detta a “collana di perle”; l’enzima H1 è importante
per la struttura della cromatina che tende a formare il tessuto del cromosoma.
• Il locus è il luogo dove si trova un determinato gene nel cromosoma.
Replicazione del DNA
La complementarietà delle due eliche spiega come avviene la duplicazione. Questa è conservativa o
semiconservativa?
Esperimento dei gradienti dell’azoto ’15:
• Se ho una replicazione semiconservativa la densità di azoto sarà tra 14 e 15
• Se ho una replicazione conservativa avrò una doppia banda 14; 15
Secondo questo esperimento è stata dimostrata la duplicazione semiconservativa.
La polimerasi
I nucleotidi trifosfati perdono, per azione della proteina polimerasi, due gruppi fosfati liberando
l’energia necessaria all’inserimento del nucleotide nella catena di DNA.
La polimerasi assembla i nucleotidi in direzione 5’-3’ a partire da uno stampo originario. Lega al 3’
libero del nucleotide precedente.
L’origine di replicazione è un punto del genoma ricco di coppie A-T; avendo un solo legame
idrogeno sono più facili da aprire.
Lo svolgimento della doppia elica viene effettuato dall’enzima elicasi.
Mentre l’elicasi avanza aprendo la doppia elica la primasi prepara lo stampo originario 5’-3’; ora
con un 3’ libero da cui cominciare la polimerasi avanza in direzione 5’-3’.
Nella catena 3’-5’ la polimerasi non può cominciare la duplicazione, torna in gioco la primasi che
in fondo alla catena continua a rilasciare degli stampi; in direzione contraria la polimerasi completa
un tratto di catena per poi saltare allo stampo successivo.
Frammenti Okazaki
Si tratta delle sequenze di DNA prodotte nel filamento ritardato, dove gli stampi prodotti dalla
primasi sono stati cancellati rimangono degli spazi vuoti.
6
•
•
Spazi vuoti (ligasi)
Estremità del filamento più lunga (telomerasi)
Comunque alle estremità esistono i telomeri (TTAGGG) che riducono le perdite di informazione.
Espressione genetica I
Come si esprimono le informazioni?
Con la trascrizione:
La molecola trasportatrice dell’informazione dal nucleo al citoplasma, dove avviene la sintesi è
l’RNA:
• Ribosio più basi
• Prodotto dall’ RNA polimerasi
A differenza della duplicazione, la trascrizione riguarda solo i singoli geni e non tutto il genoma.
Solo una delle due eliche funge da stampo.
•
•
Catena codificante (3’-5’)
Catena stampo (5’-3’)
Dove la sequenza del gene in 5’-3’ è il promotore dell’RNA. Il fattore sigma dell’RNA polimerasi
riconosce la sequenza consenso…*
•
•
3’-AACTGT-[…]-ATATTA-5’
5’-TTGACA-[…]-TATAAT-3’*
…del promotore del gene. Ogni gene ha il suo promotore; le sequenze consenso differiscono di
poco da un promotore all’altro.
Il gene si conclude con una sequenza palindromo detta terminatore…
5’-AATCCTAA-3’
…del gene. Vi sono quattro tipi di RNA:
• m RNA
• r RNA
• t RNA
• sn RNA
Come è possibile passare dall’RNA ad una sequenza di amminoacidi?
Il codice genetico
1.
2.
3.
4.
5.
6.
a triplette
non sovrapposto
universale
segnali di inizio / fine
degenerato non ambiguo
vacillamento della terza base (Wobble) [codice degenerato non ambiguo]
RNA amminoacidi e ribosomi
7
Il t RNA collega l’informazione dei codoni m RNA alla proteina corrispondente. Trasporta specifici
amminoacidi e si lega a specifici codoni.
All’estremità 3’ [ACC] è il punto di contatto con l’amminoacido. L’anticodone entra in contatto con
l’RNA.
L’enzima attivante t RNA sintetasi collega il t RNA con il corretto amminoacido…
1. l’enzima attiva l’amminoacido catalizzando una reazione con l’ATP per formare la molecola
ad elevata energia AMP
2. l’enzima catalizza la reazione tra l’AMP e il t RNA corretto
3. la specificità dell’enzima fa si che il corretto amminoacido reagisca con l’appropriato t RNA
I ribosomi come banchi di lavoro della traduzione
Traducono il messaggio genetico in catene polipeptidiche.
•
•
Sub unità minore (m RNA)
Sub unità maggiore (t RNA)
La sub unità maggiore si divide in quattro compartimenti…
1.
2.
3.
4.
[T] la proteina T accompagna t RNA carico
[A] il t RNA si lega all’ m RNA tramite legame codone – anticodone
[P] il t RNA cede l’amminoacido caricato
[E] t RNA in uscita
…e il ciclo continua.
Tutto RNA ha riconosciuto il codone di inizio AUG del t RNA (complesso di inizio). Il tutto è
catalizzato da delle proteine chiamate fattori di inizio.
A questo punto la sub unità maggiore catalizza due funzioni:
•
•
rompe il legame t RNA con l’amminoacido
crea legame peptidico con quello successivo (attività polipeptidil transferasica)
Il vero catalizzatore di questo legame è per la precisione l’r RNA.
Arrivati al codone di stop [UAA/UAG/UGA] viene legata la proteina “fattore di rilascio” che
idrolizza il legame tra il polipeptide e il t RNA nel sito [P].
Una singola molecola di m RNA può essere tradotta contemporaneamente da più ribosomi.
In questo modo vengono prodotti simultaneamente numerose catene polipeptidiche.
Le mutazioni geniche
Errori nella replicazione, trascrizione, traduzione del DNA danno origine alle mutazioni. Sono
modificazioni ereditabili dell’informazione genetica…
•
•
mutazioni somatiche
germinali
…tutte le mutazioni sono alterazioni della sequenza nucleotidica del DNA…
•
•
mutazioni puntiformi (a singoli geni)
mutazioni cromosomiche (dei gameti)
8
Mutazioni silenti
[CCA/CCC/CCU/CCG] = PROLINA
stampo DNA [GGC] = m RNA [CCG]
MUTAZIONE [GGC _ GGA] = m RNA [CCU]
Sia “CCG” che “CCU” sono i codoni che codificano la prolina.
Mutazioni di senso
[CTA] = [GAU] = ASP.
MUTAZIONE [CTA _ CAA] = [GUU] = VAL.
Mutazioni non senso
Causano la comparsa di un codone di stop in anticipo. Il prodotto proteico sarà dunque incompleto.
Frame shift mutations (mutazioni per spostamento della griglia di lettura)
DNA [TAC][ACC][GAG][GGC][CTA][ATT]
RNA [AUG][UGG][CUG][CCG][GAU][UAA]
Seq. [met] [trp] [leu] [gli] [asp] [stop]
MUTAZIONE
DNA [TAC][ACC][TGA][GGG][CCT][AAT][T...]
RNA [AUG][UGG][ACU][CCC][GGA][UUA][A...]
Seq. [met] [trp] [thr] [pro] [gli] [leu] […]
Per inserimento o rimozione, si verifica un’interferenza nella decodificazione del messaggio
genetico, in questo caso con la comparsa di T tra le basi 6 e 7 della sequenza polinucleotidica.
Le mutazioni cromosomiche
•
•
•
•
delezioni (perdita di parte del patrimonio genetico)
duplicazioni (cromosomi omologhi si rompono in punti diversi e si riuniscono scambiando i
segmenti cosi generati
Elphrg01.wav
inversioni (reinserimento di un segmento rotto in modo invertito)
traslocazioni (scambio di frammenti tra cromosomi non omologhi)
Mutazioni spontanee o indotte
La citosina, mutata nella forma tautomerica rara lega con A causando la mutazione puntiforme G _
A. Di solito la C mutata (uracile) torna spontaneamente normale oppure grazie ai meccanismi di
replicazione del DNA viene corretta; diversamente, superata la seconda duplicazione non c’è più
possibilità di correzione e la sequenza mutata permane.
9
Genetica dei virus e dei procarioti
Importante per lo studio della struttura, funzione e trasmissione dei geni; lavorare con procarioti e
virus presenta alcuni vantaggi.
• Piccoli genomi
• Si moltiplicano rapidamente
• Generalmente possiedono genomi apolidi
I virus sono dei parassiti intracellulari obbligati, per riprodursi utilizzano il macchinario sintetico
della cellula ospite.
I batteriofagi o fagi si riproducono attraverso il ciclo litico o quello lisogeno.
Ciclo litico
Tipico dei virus “virulenti”. Il fago inietta il proprio acido nucleico all’interno dell’ospite …
1. stadio precoce (la sequenza promotore del genoma virale attrae la RNA polimerasi che
trascrive i geni virali che codificano proteine come la nucleasi che digerisce il DNA ospite
al fine di ottenere basi…).
2. stadio tardivo (…queste basi servono per replicare il genoma virale e le capsidi, un’altra
proteina causa la lisi della cellula e i virus si propagano.
Ciclo lisogeno
Tipico dei virus temperati che possono utilizzare entrambe i cicli. Il DNA fagico si integra nel
cromosoma batterico e diventa un profago non infettivo, il cromosoma contenente il profago
integrato, si replica. In certi casi il profago può liberarsi dal cromosoma ospite e la cellula può
entrare nel ciclo litico.
Il ciclo riproduttivo dell’HIV
1. L’HIV si attacca alla cellula ospite a livello della proteina CD4.
2. il rivestimento virale si fonde con la membrana plasmatica, il capside si rompe e l’RNA
viene liberato.
3. l’RNA virale utilizza la trascrittasi inversa per sintetizzare il DNA complementare (Cdna).
4. l’RNA virale viene degradato.
5. la trascrittasi inversa sintetizza il secondo filamento di Cdna.
6. il cDNA penetra nel nucleo e viene integrato nel cromosoma ospite, formando un provirus.
7. in seguito ad attivazione, il DNA provirale viene trascritto nell’RNA virale che viene
trasportato nel citoplasma.
8. nel citoplasma l’RNA virale viene tradotto in proteine, utilizzando i ribosomi della cellula
ospite.
9. proteine virali, nuovi capsidi, RNA e rivestimenti vengono assemblati.
10. un virus neo-formato gemma dalla membrana cellulare.
Il genoma degli eucarioti e la sua espressione
I genomi degli eucarioti sono più grandi, possiedono più punti di regolazione, gran parte del
genoma non ha funzione codificante; inoltre sono presenti più cromosomi e i relativi omologhi.
Trascrizione e traduzione sono fisicamente separate.
10
Le sequenze ripetute
•
•
telomeri
trasposoni
Struttura dei geni che codificano proteine
•
•
esoni + introni (pre-m.RNA/m.RNA maturo)
famiglie di geni (gruppo di geni duplicati o strutturalmente correlati)
RNA processing
L’m.RNA maturo per uscire dal nucleo deve essere accettato da un determinato recettore.
Il controllo dell’espressione genetica a livello trascrizionale
•
•
processo altamente selettivo (solo i geni domestici vengono tradotti)
i promotori eucariotici sono più vari di quelli procariotici e non esistono gli operoni
diversi promotori/diverse polimerasi.
Fattori di trascrizione
•
•
•
•
•
•
promotore/polimerasi
TATA box/proteine
Regioni regolatrici (attivo/non attivo la trascrizione)
Sequenze intensificatici (ripeto/non ripeto la trascrizione)
Le sequenze silenziatore (on/off)
Struttura della cromatina
11
Regolazione post-trascrizionale
•
•
•
Splicing alternativo
Regolazione della stabilità degli m.RNA
RNA editing
Controllo traduzionale e post-traduzionale
•
•
Una cellula non continua la produzione di proteine inutili
Molti prodotti genici vengono modificati dopo la traduzione
Degrado della proteina inutile
Le proteine non marcate per la distribuzione nel citoplasma vengono legate all’ubiquitina che la
trasporta al proteosoma. Il proteosoma riconosce il complesso ubiquitina/proteina e degrada la
proteina inutile.
I procarioti: riproduzione e ricombinazione
Riproduzione:
•
•
eucarioti (ricombinazione genomica tramite gameti )
procarioti (interazione con un singolo frammento tramite coniugazione tra simili o
trasduzione mediata dai virus)[vedi i PLASMIDI]
prodotto della duplicazione:
•
•
eucariote (zigote)
procariote (clone)
La mitosi
Distribuzione di copie esatte dell’informazione genetica, i centrosomi determinano il piano della
divisione cellulare:
Attivazione della fase S…
•
•
il DNA si duplica
il centrosoma pure
…ogni centriolo è una struttura cilindrica cava formata da nove triplette di microtubuli.
Fase G2 / M…
I centrosomi si separano e raggiungono i poli opposti dell’involucro nucleare. Il materiale intorno ai
centrioli inizia a formare microtubuli, che consentono i movimenti dei cromosomi.
Profase
12
La cromatina si spiralizza e si condensa, diventando sempre più compatta fino ad assumere la forma
dei cromosomi. I cromosomi sono costituiti da cromatidi fratelli appaiati (fase S) e identici tra loro.
La coesina che unisce i due prodotti della duplicazione del DNA si è degradata. Alla fine della
profase i cinetocori, (strutture a tre strati) uno per cromatide svolgeranno un ruolo importante per i
movimenti dei cromosomi.
Ogni centrosoma funge da polo verso il quale migreranno i cromosomi. Dai poli si dirama il fuso
dei microtubuli.
Prometafase
L’involucro nucleare si dissolve (profase), i microtubuli del cinetocore iniziano a organizzarsi e
collegano i cinetocori con i centri di organizzazione dei microtubuli; i cromosomi si dispongono
lungo la “piastra equatoriale” e i loro cromatidi sono ancora uniti al centromero dalla coesina.
Metafase
I centromeri (regioni che connettono i cromatidi appaiati) si allineano sul piano equatoriale della
cellula. Al termine della metafase tutte le coppie di cromatidi si separano contemporaneamente. La
separasi (finora inibita dalla securina) degrada la coesina permettendo la separazione.
Anafase
La separazione dei cromatidi caratterizza questa fase, i cromosomi figli iniziano a migrare verso i
poli opposti della cellula. Due fattori sembrano coinvolti nel movimento dei cromosomi…
•
•
dineina citoplasmatica (ATP _ ADP) 75% dell’energia consumata
accorciamento dei microtubuli del cinetocoro.
Telofase
I cromosomi figli raggiungono i poli della cellula e la cellula entra in interfase quando l’involucro
nucleare e i nucleoli si riorganizzano e la cromatina despiralizza. La divisione del citoplasma
avviene per citodieresi ad opera di un anello contrattile che separa le due cellule. La riproduzione
mediante mitosi da luogo alla continuità genetica; la riproduzione mediante meiosi da origine alla
variabilità genetica.
La riproduzione sessuata
La meiosi è caratterizzata da due divisioni nucleari consecutive, che riducono il numero dei
cromosomi da diploide ad aploide…
•
•
meiosi I (crossing over)
meiosi II (quattro cellule aploidi).
Profase I
Nello stadio di interfase che precede la profase, (fase S) il DNA di ogni cromosoma parentale si
duplica; di conseguenza, ogni cromosoma sarà formato da due cromatidi fratelli, reciprocamente
uniti dalla coesina. Nella fase che segue l’interfase la cromatina inizia a condensarsi. I cromosomi
omologhi si appaiano in base alla sequenza di loci e si compattano.
13
Prometafase I
Si formano i chiasmi, proteine sinaptiche che tengono assieme gli omologhi durante la separazione,
dando origine al crossing over (processo di sinapsi). I cromosomi omologhi costituiscono infatti una
tetrade che li intreccia permettendo la ricombinazione genetica.
Metafase I
I cromosomi omologhi si allineano lungo la piastra equatoriale.
Anafase I
I cromosomi omologhi (ciascuno composto da due cromatidi) migrano verso i poli opposti della
cellula.
Telofase I
Il citoplasma si divide assieme ai rispettivi nuclei. In seguito a una breve interfase, nel corso della
quale il DNA non è stato duplicato, i cromosomi si condensano nuovamente (intercinesi).
Ha dunque luogo la meiosi II che da origine a quattro cellule aploidi, frutto della divisione delle
prime due.
Gli errori della meiosi
•
•
non disgiunzione
mancato appaiamento degli omologhi (aneuploidia).
L’aneuploidia è una condizione in cui uno o più cromosomi mancano o sono presenti in
soprannumero. Può dare origine a gravi anomalie genetiche. I due omologhi non appaiati
potrebbero allinearsi verso il medesimo polo cellulare.
L’aneuploidia ai cromosomi 21, 18 e 13 è vitale, in tutti gli altri casi provoca l’aborto.
•
•
Trisomia (21/sindrome di Dawn, 18/sindrome di Patau, 13/sindrome di Edwards)
Monosomia (non è vitale)
La trisomia ai cromosomi 21, 18 e 13 è vitale, in tutti gli altri casi provoca l’aborto.
14
I gameti
•
•
Omogoni _ O+
Spermatogoni _ O->
Spermatocita primario
Spermatocita secondario
spermatide
1.
2.
3.
4.
.
Spermatocita secondario
spermatide
spermatide
spermatide
lo spermatocita primario
i due spermatociti secondari
hanno origine quattro spermatidi
gli spermatici si trasformano in spermatozoi
questo ciclo nell’uomo è continuo.
Ovocita primario
Globulo polare
Ovocita secondario
Cellula uovo matura
Cellula degradata
1. l’ovocita primario
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2. hanno origine il globulo polare e l’ovocita secondario
3. solo l’ovocita secondario si duplica
4. delle due cellule generate solo una, la cellula uovo, sopravvive; l’altra degrada.
Questo ciclo nella donna dura 40 anni.
Mutazioni cromosomiche durante il crossing over
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delezioni (perdo un pezzo di cromosoma)
duplicazioni (doppia copia di un gene)
crossing over ineguale
inversioni (un frammento si rompe e viene reinserito al contrario)
traslocazioni (formazione di un gene ibrido a causa dello spostamento di un frammento in loco errato)
Le basi della genetica
Mendel nella metà del XIX secolo condusse esperimenti sull’ereditarietà. Arrivò a dedurre due aspetti
importanti della biologia genetica che sarebbero stati scoperti un secolo dopo; l’esistenza dei geni e la meiosi.
I coltivatori di piante hanno dimostrato che entrambi i genitori contribuiscono in egual misura
all’ereditarietà
Gli organismi vegetali rappresentano un eccellente materiale per gli studi di genetica. Mendel aveva studiato
la progenie di incroci reciproci. Smentisce inoltre il concetto di eredità intermedia secondo cui i caratteri si
fondono inscindibilmente. Utilizzò per molti dei suoi esperimenti piante di pisello odoroso, “pisum sativum”.
Isolò linee pure di piselli secondo 7 caratteri dicotomici alternativi. Si assicurò che ogni potenziale genitore
appartenesse a una linea pura per il carattere in questione.
Mendel ipotizza l’esistenza di un fattore particolato, noi sappiamo che si tratta di coppie di alleli. Un allele è
dominante, l’altro è recessivo (S – s); (Y – y).
Prima legge (di segregazione)
I due membri di una coppia (alleli) segregano durante la formazione dei gameti. La segregazione degli alleli
è data dalla separazione dei cromosomi omologhi nella 1^ divisione meiotica.
Seconda legge (assortimento indipendente dei caratteri)
Alleli di geni diversi assortiscono in modo indipendente l’uno all’altro. Alleli di geni localizzati su
cromosomi diversi si comportano indipendentemente durante la formazione dei gameti.
La teoria cromosomica dell’ereditarietà
Sappiamo che per un singolo carattere possono esistere molti alleli differenti. Nuovi alleli si originano per
mutazione. Gli alleli di un gene sono riferibili ad uno stesso locus.
Gli alleli che codificano per caratteri diversi assortiscono sempre in modo indipendente?
Due geni non assortiscono in modo indipendente se si trovano a distanza ravvicinata sullo stesso cromosoma;
per quelli distanti entra invece in gioco il crossing over.
Concetti chiave
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allele (dominante / recessivo)
fenotipo (carattere espresso)
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genotipo (informazione genetica)
diploide (coppia di alleli per ogni gene)
omozigote (una classe di geni per ogni loco)
eterozigote (classi differenti per ogni loco)
Ereditarietà legata al sesso
I cromosomi X / Y svolgono funzioni diverse.
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XO _ femmine con moderate anomalie, nonché sterili (sindrome di Turner)
XXY _ maschi di statura superiore alla media e sterili (sindrome di Kline Felter)
Alcuni individui XY sono fenotipicamente femmine a causa della mancanza di una porzione del
cromosoma Y
Alcuni maschi sono geneticamente XX ma possiedono un segmento di Y in un altro cromosoma.
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Modalità di eredità
Eredità nei cromosomi…
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Autosomica recessiva (2 alleli recessivi uguali)
Autosomica dominante (1 allele dominante)
X recessivo (malati omozigoti)
X dominante ( malati eterozigoti)
Y (malati emizigoti)
Mitocondriale (trasmissione materna)
Esercitazioni
Aa Bb (due loci, quattro alleli, cellula diploide)
AB Ab aB ab (quattro tipi di gameti aploidi)
Aa BB Cc DD Ee FF :
• Abbiamo sei loci
• 2 elevato il numero di loci eterozigoti (tot 3)
• =8 combinazioni diverse (2x2x2=8)
le classi di gameti indicano il numero di gameti possibili… [?].
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Esercizi di genetica
Aneuplasie
Mancata disgiunzione degli omologhi (I^ divisione meiotica) [1:2]
21_21/18_18
21-21/18-18
21-21/18
21-21/18
0/18
0/18
21-21/18
21-21/18
0/18
trisomia 21
0/18
monosomia 21
mancata disgiunzione dei cromatidi fratelli (II^ divisione meiotica) [1:4]
21-21/18-18
21-21/18-18
21/18
21/18
21/18
21
trisomia 21
21/18
21/18
0/18
monosomia 21
21/18
21/18
sani
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Malattia autosomica recessiva
Aa-AA
AA
aA
AA
aA
AA
aA
portatore + sano = [1:2portatori/1:2sani]
portatore + portatore = [1:4sani/1:4malati/1:2portatori]
malato + sano = [100% portatori]
malato + portatore = [1:2malati/1:2portatori]
Autosomica dominante
Aa-AA
AA
aA
M’ + S = [1:2M/1:2S]
M’ + M’ = [3:4M/1:4S]
M’’+ S [100%M]
M’’+ M’ [100%M]
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Malattia al cromosoma X recessiva
Xx -XY
XX
xX
XY
xY
XY
xY
SOLO LE DONNE SI AMMALANO
FP + MS = [1:2P/1:2S]
FP + MP = [1:4M/1:4S/1:2P]
FM + MS = [100%P]
FM + MP = [1:2MP/1:2FM]
Malattia al cromosoma X dominante
Xx -XY
XY
xY
20
21
