Principi di genetica microbica

Principi di genetica
microbica
1
LE BASI AZOTATE
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Nel DNA e nell’RNA le basi
azotate sono sottoforma di
NUCLEOTIDI
NUCLEOSIDE
2
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Struttura e legami chimici tra le basi azotate
eliche antiparallele
3
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La formazione del legame fosfo-di-estere
Affinchè il legame fosfodiestere possa
essere
formato
dall’enzima
DNA
polimerasi, sono indispensabili un ossidrile
(-OH) libero in posizione 3’ e un nucleotide
trifosfato (cioè in forma energizzata).
La polimerizzazione del DNA (cioè la
formazione di un filamento di DNA)
avviene perciò in direzione 5’ → 3’
4
I legami tra le basi azotate
5
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA
LA Replicazione del DNA è SEMICONSERVATIVA
6
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA
7
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA:
il meccanismo molecolare (1)
I tetrameri della porteina
DnaA
si
legano
in
corrispondeza dell’origine di
replicazione (oriC)
I filamenti della doppia elica si
separano in corrispondenza di
una vicina regione ricca in A e T
8
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA: il
meccanismo molecolare (2)
La proteina DnaB (elicasi), che forma un
complesso con DnaC, si lega alla
estremità dell’apertura. Questa reazione
richiede la presenza della proteina DnaT
e di ATP. DnaB contribuisce allo
svolgimento della doppia elica con
l’enzima girasi
+ girasi
Le proteine che legano il DNA a singolo
GRAM negativo
filamento
(SSB) avvolgono i filamenti e ne
impediscono il riappaiamento, completando la
formazione del complesso iniziale
La regione
legata a DnaA
si svolge
I filamenti esposti possono
ora fare da stampo per la
sintesi del DNA
Informazioni
propedeutiche
supplementari
9
La replicazione del DNA: il meccanismo
molecolare (3)
L’enzima primasi e molte altre proteine
si localizzano nella forca replicativa
PRIMASI
La primasi sintetizza un innesco
(primer) ad RNA sia per il filamento
guida che per il filamento copia
Un
complesso
dimerico
costituito dalla DNA polimerasi
III si lega a ogni forca
replicativa e replica i filamenti
10
Informazioni
propedeutiche
supplementari
La replicazione del DNA:
il meccanismo molecolare (4)
11
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA RIPARAZIONE DEGLI ERRORI
Non sempre avviene un corretto appaiamento A:T e
C:G . La DNA polimerasi commette errori che
devono essere RIPARATI.
Il TASSO DI ERRORE in Escherichia coli
è inferiore a 10-9 per paio di basi
duplicate. Il basso tasso di errore è così
basso a causa dell’attività di riparazione
(Proofreading) della DNA polimerasi.
Gli errori non corretti dall’attività
Proofreading
della
DNA
polimerasi possono essere corretti
da altri sistemi enzimatici (MutS,
MutH e MutL).
12
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA TRASCRIZIONE
N.B.: il fattore sigma è la
subunità
della
RNApolimerasi in grado di
riconoscere il PROMOTORE
del gene che deve essere
trascritto
N.B.: l’ mRNA dei procarioti
non viene modificato dopo la
sua trascrizione
N.B.: un gene che nella
cellula è sempre espresso è
detto gene costitutivo
13
Il dogma centrale della biologia
DNA polimerasi
REPLICAZIONE
DNA → DNA
La cellula può modulare quali geni, in uno
specifico contesto, possono essere espressi
(cioè trascritti) e quali invece no. Questo
RNA polimerasi
TRASCRIZIONE
DNA → RNA
processo
si
chiama
REGOLAZIONE
GENICA
o
REGOLAZIONE
DELLA
TRASCRIZIONE
La regolazione genica permette alla cellula di
Ribosomi
TRADUZIONE
RNA → Proteina
modulare le sue capacità (variando il pool di
enzimi
disponibili),
facendo
fronte
alle
specifiche esigenze ambientali, che sono in
costante ed inevitabile mutazione
14
LA REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
= regolazione dell'espressione genica
In una cellula è necessario che i livelli di certi enzimi siano controllati (cioè, è
necessario che un certo enzima sia presente nella giusta quantità quando serve)
Il modo principale con cui una cellula riesce a garantire questa necessità è attraverso
la regolazione della TRASCRIZIONE di un gene
Solo una piccola parte dei circa 4000 geni che compongono un tipico genoma
batterico (per es. quello di E. coli) è espressa allo stesso momento
Alcuni prodotti genici è indispensabile che siano espressi costantemente (geni
COSTITUTIVI) (per es. i geni che codificano per le proteine e l’RNA necessari alla
sintesi proteica)
Altri prodotti genici, invece, devono essere presenti in quantità molto minore e solo
quando serve alla cellula (geni INDUCIBILI) (per es. i geni di risposta allo stress o i
geni necessari per la metabolizzazione di un certo substrato)
La regolazione dell’espressione genica è ciò
che spiega il fenomeno della DIAUXIA
Di seguito sono riportati alcuni esempi che descrivono le principali tipologie di
regolazione genica nei batteri
15
LA REGOLAZIONE DELLA TRASCRIZIONE
Regolazione NEGATIVA (es. 1)
operatore
geni
Operone:
insieme di geni che vengono
regolati in modo strettamente
coordinato
Promotore genico:
regione di DNA costituita da
specifiche sequenze NON
CODIFICANTI
(dette
consenso), alla quale si lega
la RNA polimerasi per
iniziare la trascrizione di un
gene, o di più geni (operone)
Operatore:
Regione
del
DNA
(generalmente posta tra un
promotore e un gene) alla
quale si lega una proteina
repressore per impedire la
trascrizione
16
La regolazione della trascrizione
Regolazione NEGATIVA (es. 2)
Presenza di triptofano
Assenza di triptofano
il gene regolatore produce
un repressore inattivo, che
non è in grado di legare
l’operatore
Il triptofano si lega
al repressore
La RNA polimerasi trascrive i geni
dell’operone, che vengono tradotti
in enzimi della via metabolica del
triptofano.
.. che è in grado di
legarsi all’operatore
.. la sintesi dei geni
della via metabolica
della sintesi del
triptofano è bloccata
17
La regolazione della trascrizione
Regolazione POSITIVA
(es. del REGULONE MALTOSIO)
Assenza di maltosio
Presenza di maltosio
N.B.: REGULONE = insieme di operoni regolati mediante un
meccanismo comune
18
Informazioni
propedeutiche
supplementari
LA SINTESI PROTEICA
IL CODICE GENETICO è degenerato (cioè,
un singolo aminoacido è codificato da più tripplette)
19
LA SINTESI PROTEICA
Nelle cellule procariote la trascrizione e la traduzione di una specifica regione
del cromosoma avvengono contemporaneamente
20
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Gli RNA Transfer (tRNA) ...
21
Informazioni
propedeutiche
supplementari
… sono “caricati” dall’enzima aminoacil tRNA sintasi
22
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Il ribosoma e l’inizio della sintesi proteica
23
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteica: fase di allungamento
24
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteina: fase di terminazione
25
Informazioni
propedeutiche
supplementari
Sintesi proteica: direzione di sintesi
26
Destino delle proteine di neosintesi in una cellula eucariota
Nei procarioti e negli eucarioti le proteine di neosintesi possono subire
le seguenti modificazioni POST-TRADUZIONALI
27
Vita
La definizione biologica di vita è una questione che ha generato secoli di discussioni scientifiche
e diatribe filosofiche che tuttora non hanno portato a una soluzione univoca
In linea esemplificativa si possono definire vivi quegli enti fisici che dispongono di almeno le
seguenti due proprietà:
1. la capacità di contrastare l'entropia mantenendo costante nel tempo la propria struttura fisica
2. la capacità di riprodurre un’entità simile a sé stessa
Un'altra definizione può essere la seguente: "Gli esseri viventi sono caratterizzati dal seguente
ciclo: nascita, crescita, riproduzione, morte".
Oxford Dictionary
Secondo il vocabolario
Lo Zingarelli 2012
28
29
Un ulteriore problema nella definizione di VITA si è avuto alla scoperta dei virus, considerati come
l'anello di congiunzione tra gli esseri animati e quelli inanimati, in quanto sono sia in grado di
riprodursi (caratteristica principale dei viventi) che di ridursi alla forma cristallina, diventando così
non-viventi.
I virus
Un virus è definito come materiale nucleico (DNA o RNA) organizzato in una struttura di rivestimento
proteico. Il materiale nucleico del virus contiene l’informazione necessaria alla sua replicazione e
moltiplicazione ma deve usare le attività sintetiche della cellula ospite
30
Capside: involucro proteico che contiene il materiale nucleico. Un capside è
composto da monomeri proteici organizzati in strutture regolari ripetute detti
capsomeri.
Tutti i virus esistono in due stati: EXTRACELLULARE e INTRACELLULARE.
Nel primo caso si parla comunemente di virioni o particelle virali.
31
La morfologia dei Virus è molto varia, ci sono virus icosaedrici,
virus elicoidali, virus con envelope e virus complessi.
Questo è un virus
dei batteri, detto
BATTERIOFAGO
32