Struttura di una possibile serie di lezioni sull ereditarietà e sul DNA

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1 1 Struttura di una possibile serie di lezioni sull ereditarietà e sul DNA IL PERCORSO DIDATTICO Conosciamo noi stessi A chi assomiglio? Analisi dei caratteri ereditati Da dove derivano i caratteri? Costruiamo un albero genealogico Passaggio dal macroscopico al microscopico mitosi/meiosi e ruolo dei cromosomi DNA Mendel e le sue leggi

2 2 L albero genealogico L albero genealogico, o pedigree, è la rappresentazione schematica di una famiglia nella quale sono presenti caratteri genetici rilevanti in più generazioni Lo studio dei pedigree ci permette di fare ipotesi circa il tipo di ereditarietà del carattere in esame (dominante o recessivo, singolo gene o no) e di calcolare la probabilità che da un matrimonio possano nascere figli portatori del carattere stesso.

3 3 Simboli utilizzati per rappresentare gli alberi genealogici Maschio Femmina Sesso non specificato Individui sani Individui malati Progenie multipla Individui deceduti Matrimonio tra consanguinei I 1 2 Linea di matrimonio Linea di unione dei fratelli II Numero identificativo dell individuo nella generazione Numero della generazione

4 4 Alberi genealogici di un gene autosomico dominante La malattia Huntington: una carattere raro dominante

5 5 Alberi genealogici di un gene autosomico recessivo Fibrosi cistica: causata da un allele recessivo

6 Esempi di alberi genealogici 6

7 7 Gli esperimenti di Mendel P F 1 Gli ibridi F 1 sono uniformi. Presentano una sola delle due modalità F Nella F 2 il carattere che pareva perso ricompare con una precisa frequenza. In F 1 non c è alcun mescolamento.

8 8 PROBLEMA: come viene ereditato il colore del fiore? IPOTESI: per un carattere che si manifesta con due modalità alternative, esiste una coppia di elementi genetici che possono essere indicati rispettivamente come A (quello che compare nella F 1 = dominante) e a (quello che non compare in F 1 = recessivo). Se ogni individuo è fornito di due dosi di questi elementi, mentre il polline o la cellula uovo ne hanno uno solo, questi ultimi, combinandosi casualmente a due a due, daranno origine esattamente alla progenie osservata

9 9 Esperimento P F 1 F

10 A A Interpretazione a Parentali a A a Gameti frequenza 1 1 A a F 1 frequenza ½ A ½ a Gameti 10

11 A a A a F 1 Freq. A a A a ½ ½ ½ ½ Gameti Freq. A A ½ x ½ = ¼ ¼ AA A a ¼ ¼ ¼ ½ Aa ¾ A = porpora A a a a ¼ aa F 2 Genotipi ¼ a=bianco Fenotipi 11

12 12 I geni solo localizzati sui cromosomi Corredo cromosomico umano CARIOGRAMMA

13 Il cariogramma umano 13

14 14 La meiosi Animazione 1 Animazione 2

15 I cromosomi o o Il compattamento del DNA nei cromosomi porta alla formazione dei cromosomi che è differente e caratteristico per ogni specie Il numero dei cromosomi di una specie NON è correlato al con la quantità totale di DNA contenuta nel nucleo. Specie N cromosomi Specie N cromosomi Batteri 1 Volpe 34 Drosofila 8 Gatto 38 Pisello 14 Topo 40 Lievito del pane 16 Coniglio 44 Mais 20 Uomo 46 Ape (femmina) 32 Gallina 78 15

16 I cromosomi sono fatti di DNA Come funziona l ereditarietà a livello molecolare? Che cosa è il DNA e che cosa fa? Un gene è l unità fisica e funzionale fondamentale dell ereditarietà, che trasmette l informazione da una generazione a quella successiva La biologia cellulare ha sviluppato la teoria cromosomale dell ereditarietà, mostrando che i cromosomi sono le unità fisiche dell ereditarietà e perciò contengono i geni La biochimica e la biologia molecolare mostrano che i cromosomi sono strutture complesse contenenti proteine e acidi nucleici, ma sono la molecola che immagazzina l informazione genetica, permette la sua espressione la sua duplicazione, è il DNA 16

17 Il DNA è una molecola molto lunga Nell uomo la lunghezza totale del DNA in ogni singola cellula è circa 2 metri Per essere contenuto in un nucleo che misura circa 10 μm deve essere compattato e avvolto in una struttura detta cromatina L unità ripetitiva è il nucleosoma, costituito da proteine e 147paia di basi di DNA Il DNA è avvolto 1.7 volte intorno ad un ottamero composto da istoni (proteine) I singoli nucleosomi sono collegati tra loro da un tratto di DNA lungo paia di basi (linker), in modo da formare una struttura a corona del rosario. I nucleosomi possono a loro volta essere compattati ulteriormente a formare la cromatina, che ha un diametro di circa 30nm Durante la divisione cellulare le fibre di DNA si compattano ulteriormente a formare i cromosomi 17

18 18 Come sono immagazzinate le informazioni nel DNA? Nel normale linguaggio, le informazioni sono composte da una serie di simboli (le lettere) a formare parole e frasi Provate a immaginare forme alternative: una serie di simboli ma parole della stessa lunghezza Lo stesso simbolo ripetuto un numero di volte differenti, ad indicare significati diversi

19 19 Le informazioni devono essere Immagazzinate quali criteri devono essere applicati? Stabilità, trasportabilità, fedeltà della replicazione (es. tavolette di pietra, scrittura sulla sabbia, sulla carta, sui computer o su CD) Accessibili e utilizzabili: in forma digitale: cioè in forma numerica (es. sistema binario, il computer utilizza le informazioni analizzando ed elaborando dei numeri) In forma analogica: le quantità vengono misurate (es. peso velocità, voltaggio ecc. come ad esempio la misurazione del livello del mercurio nel termometro per misurare la temperatura)

20 Informazione genetica E immagazzinata in forma digitale Già dal lavoro di Mendel era chiaro che un carattere controllato da un gene o c è o non c è. Non si diluisce nel tempo. Potremmo immaginare i geni come perline di una collana. Crick e Watson hanno inoltre dimostrato che anche all interno dei geni l informazione è in formato digitale Tutta l informazioni genetica è immagazzinata in formato digitale, l unica differenza con un computer è che il codice genetico non è binario ma quaternario. Le quattro lettere sono i quattro nucleotidi che compongono il DNA 20

21 La struttura del DNA I nucleotidi Adenina Guanina Timina Citosina 21

22 La struttura del DNA 22

23 23 Attività che si possono fare in classe Costruzione di un modellino di DNA Estrazione di DNA da tessuti vegetali

24 Costruzione di un modello tridimensionale di DNA SCOPO: rappresentazione della struttura osservazione del modello di duplicazione semiconservativa MATERIALE NECESSARIO Mollette di 4 colori Filo di ferro o per il bucato Deve poter entrare nel buco della molla della molletta Cannucce per le bibite Da tagliare a pezzettini di 5cm Cartoncini rettangolari 4,5x2cm 1mm di spessore 24

25 PREPARAZIONE Si disegna su di un foglio di carta la sequenza di DNA che si intende realizzare per entrambi i filamenti di cui la molecola dovrebbe essere costituita si tagliano due pezzi di fil di ferro di circa 60-80cm e si realizza una piccola asola ad una delle due estremità per evitare la fuoriuscita delle mollette si tagliano dei pezzi di cannuccia delle dimensioni di circa 4,5 cm si preparano mollette di 4 colori differenti in base alla sequenza che si desidera realizzare Si infilano in maniera alternata una molletta e un pezzo di cannuccia 25

26 26 La realizzazione C A T G G T A C

27 Il modello del DNA 27

28 28 Estrazione di DNA da cellule di vegetali MATERIALE NECESSARIO Coltello per sbucciare e tagliare i kiwi un sacchetto di plastica ermetico per studente un becker nel quale filtrare l estratto deve essere adatto all imbuto un imbuto della garza o della carta da filtro un vaschetta con acqua e ghiaccio acqua distillata shampoo, o sapone liquido, meglio se incolore. Kiwi, ¼ di kiwi a testa sala da cucina (NaCl) una provetta da almeno 20mL per persona, con tappo 1 provetta che contenga circa 10mL per ciascuno studente, con tappo Etanolo 95% a temperatura da freezer (-20 C) Pipette Pasteur (o bacchette di vetro)

29 Protocollo estrazione di DNA da kiwi Preparate la vaschetta con acqua e ghiaccio Ciascuno studente userà ¼ di kiwi e 20mL della seguente e soluzione: Per preparare 250 ml di soluzione unire: 25mL di shampoo (o sapone liquido) 4gr di sale da cucina aggiungere acqua (meglio se distillata) fino a 250ml Agitare delicatamente per miscelare il tutto evitando di formare bolle Distribuire 20mL di soluzione per studente Sbucciare i kiwi e tagliarli in approssimativamente 12 pezzi Quindi ogni gruppo deve: prendere 3 pezzi di kiwi e metterli in un sacchetto (circa ¼ di Kiwi) Aggiungere 20mL di soluzione di estrazione nel sacchetto. Togliendo quanta più aria possibile sigillare il sacchetto Schiacciare il kiwi il meglio possibile per 5 minuti, facendo attenzione che il sacchetto non si buchi Raffreddare il sacchetto nella vaschetta con il ghiaccio per circa 1 minuto, quindi proseguire a schiacciare il kiwi. Ripetere questa operazione alcune volte. Filtrare la soluzione attraverso la garza. Tutti gli studenti possono unire i loro campioni in modo che vengano filtrati insieme Distribuire approssimativamente 3mL del filtrato nelle provette più piccole, una per studente. Facendo attenzione a non agitare le provette, aggiungere 2mL di Etanolo da freezer in ogni provetta. Potete provare a recuperare il DNA precipitato usando una pipetta pasteur o una bacchetta di vetro, il DNA dovrebbe attaccarsi ad essa. 29

30 30 Attività didattica di genetica Ad ogni studente vengono consegnate 4 buste con scritto: 1. MADRE: contenente il disegno di una donna 7 coppie di cartellini relativi a 7 caratteri somatici indicatiin minuscolo se recessivo, maiuscolo se dominante e una lettera (M- madre, P- padre) che indica da quale genitore sono stati ereditati L insieme dei cartellini forma il genotipo della madre 2. PADRE: contenente Il disegno di un uomo 7 coppie di cartellini relativi a 7 caratteri somatici indicatiin minuscolo se recessivo, maiuscolo se dominante e una lettera (M- madre, P- padre) che indica da quale genitore sono stati ereditati L insieme dei cartellini forma il genotipo del padre 3. CELLULA UOVO (inizialmente vuota) 4. SPERMATOZOO (inizialmente vuota) Iniziando dalla madre aprire la busta e raggruppare a coppie i caratteri Lanciando un dado decidete quali caratteri (allele) andranno a finire nella CELLULA UOVO prodotta dalla madre se esce PARI scegli il carattere con M, altrimenti P Fate la stessa cosa con il padre e mettete i cartellini nella busta SPERMATOZOO Riversa la busta SPERMATOZOO nella busta CELLULA UOVO Trascrivi il genotipo del figlio e DISEGNA il fenotipo.

31 31 MADRE PADRE M-X P-X M-X P-Y M - NASO ADUNCO P - naso dritto M - naso dritto P - naso dritto M - braccia corte P - braccia corte M - BRACCIA LUNGHE P - braccia corte M -LABBRA GROSSE P- labbra sottili M - LABBRA GROSSE P- labbra sottili M - CAPELLI RICCI P- capelli lisci M -capelli lisci P- capelli lisci M - mento regolare P - mento regolare M - MENTO PRONUNCIATO P - mento regolare M - orecchie piccole P - orecchie piccole M -ORECCHIE GRANDI P - orecchie piccole CELLULA UOVO SPERMATOZOO GENOTIPO + DISEGNO del fenotipo